JP2002543630A - Smart power circuit capable of changing mask configuration, its application, and GS-NMOS device - Google Patents
Smart power circuit capable of changing mask configuration, its application, and GS-NMOS deviceInfo
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Abstract
(57)【要約】 本発明は、スマートパワー・セミカスタム設計の新規な手法に関し、要求された機能に応じて、表面の金属製マスクだけを使用し、簡単にプログラムされるのに都合よく設計されたマトリックスにおける基本セルとして一種類のセルの組み合わせを使用し、マイクロプロセッサとのインターフェースのように高電圧信号を処理することができ、整流、駆動、保護、増幅、センシングおよび制御のための全ての要求されたトポロジー、誤り検出およびプロセス監視を実行するために、プロトタイプを迅速に製作する。 (57) [Summary] The present invention relates to a novel approach to smart power semi-custom design, based on the required function, using only a metal mask on the surface and the basic cells in a matrix that is conveniently designed to be easily programmed. It can process high voltage signals like interface with microprocessor, using one kind of cell combination as all required topologies for rectification, driving, protection, amplification, sensing and control, Rapidly build prototypes to perform error detection and process monitoring.
Description
【0001】 [発明の要約] 本発明は、電力制御ブロックに必要とされる一般的な機能を実現するのに適し
たスマートパワー回路を、一種類のNMOSセルだけに基づいたアレイを利用し
てマトリックスの中に設計する際の重要な改良に関するものである。この技術に
より、標準的なCMOS技術を利用したスマートパワー回路のディジタル集積回
路化に向けて、いかなる追加処理プロセスもなしに、工業化の実現が容易な低コ
ストのセミカスタム設計と新しいIC構成戦略とが可能になる。この方法は、洗
練されたスマートパワー回路のプロトタイプを迅速に製作する技術にも応用でき
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a smart power circuit suitable for implementing the general functions required of a power control block, utilizing an array based on only one type of NMOS cell. It is about an important improvement when designing into a matrix. With this technology, a low-cost semi-custom design and a new IC configuration strategy that can be easily industrialized without any additional processing process, toward the digital integration of smart power circuits using standard CMOS technology. Becomes possible. This method can also be applied to the technology for rapidly producing sophisticated smart power circuit prototypes.
【0002】 [発明の背景] スマートパワー回路の進歩は、新しい技術プロセスの発展と関連しており、デ
ィジタルとアナログのライブラリが必要であった。なお、その新しい技術プロセ
スの可能性は、パワーデバイスの正確なキャラクテリゼーションと有用さによっ
て決まるため、洗練されていてコストのかかる技術プロセスが必要である。そう
した洗練された技術により、様々なタイプの半導体が生産されてきた。ほんのわ
ずかではあるが、例示するならば、N−MOS、P−MOS、HV−NMOS(
High−Voltage NMOS:高圧NMOS)、HV−PMOS(Hi
gh−Voltage PMOS:高圧PMOS)、電界効果トランジスタ(N
PN、PNP、HV−PNP、HV−NPN)、バイポーラ接合トランジスタ(
BJT、ツェナーダイオード、整流ダイオード)、IGBT、MOSサイリスタ
がある。BACKGROUND OF THE INVENTION Advances in smart power circuits have been associated with the development of new technological processes, requiring digital and analog libraries. It should be noted that the potential of the new technological process depends on the exact characterization and availability of the power device, so a sophisticated and costly technical process is needed. With such sophisticated technologies, various types of semiconductors have been produced. To illustrate, to a small extent, N-MOS, P-MOS, HV-NMOS (
High-Voltage NMOS: High-voltage NMOS, HV-PMOS (Hi
gh-Voltage PMOS: high-voltage PMOS, field-effect transistor (N
PN, PNP, HV-PNP, HV-NPN), bipolar junction transistor (
BJT, Zener diode, rectifier diode), IGBT, and MOS thyristor.
【0003】 CMOS技術と相性のよい解決法を発見しようと、世界中で盛んに研究が進め
られている。 しかしながら、どのアプローチによっても、標準的なCMOSと完全に相性の
よいデバイスを用いたスマートパワーICの中の電力制御ブロックに必要とされ
る機能を、一種類のセルだけを用いて実現することはできないでいる。[0003] Research is actively under way around the world to find solutions that are compatible with CMOS technology. However, with any approach, it is not possible to achieve the functions required for the power control block in a smart power IC using devices that are completely compatible with standard CMOS, using only one type of cell. I can't.
【0004】 本出願人は、別のアプローチを選択して、高速化と高集積化がなされた低圧(
5ボルト)のカスタムディジタルICを目標として、単一のポリシリコン層、N
型ウエル、二重のメタライゼーションを有する低コストかつサブミクロンの標準
的CMOS技術を用いて、ハイサイド(high−side)とローサイド(l
ow−side)のスイッチ配置と、NMOSに基づいた側面の最適化スイッチ
ングセルとを得るための変更がなされた構造を用いたスマートパワーICを極め
て低コストに製造することが可能であるかどうかを評価した。[0004] Applicants have chosen another approach, which has been developed for low speed (high speed and highly integrated)
5 volts) custom digital IC with a single polysilicon layer, N
Type well, high-side and low-side (l) using low cost and sub-micron standard CMOS technology with double metallization.
ow-side) switch placement and whether it is possible to manufacture a smart power IC using a modified structure to obtain an NMOS based side-optimized switching cell at very low cost. evaluated.
【0005】 以下のリストには、このテーマに関して出願人が知っているあらゆる参考文献
が含まれている。出願人は、これら参考文献が代表的なものであると考えており
、ある意味で、本発明の背景になるとも考えられる。[0005] The following list contains all references known to the applicant on this subject. Applicants believe that these references are representative and, in a sense, are considered to be the background of the invention.
【0006】 [参考文献] アメリカ合衆国特許 第5,386,136号 1995年1月 リチャード・ウイリアムズ他(R
ichard Williams et al.)。 「絶縁破壊特性を改良した、わずかにドーピングしたドレインMOSFET(”
Lightly−Doped Drain MOSFET With Impr
oved Breakdown Characteristics”)」[Reference] United States Patent No. 5,386,136 January 1995 Richard Williams et al. (R
Richard Williams et al. ). "Lightly doped drain MOSFET with improved breakdown characteristics ("
Lightly-Doped Drain MOSFET With Impr
oved Breakdown Characteristics ")"
【0007】 [その他の文献] H.バランおよびM.ドゥクレルク「標準的CMOS技術における高圧デバイ
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オランダ、1999年(H.Ballan and M.Declercq”H
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Standard CMOS Technologies”,Kiuwer A
cademic Publishers,Dordrecht,The Net
herlands,1999)。[Other Documents] Balun and M.C. Ducleruk, "High-Voltage Devices and Circuits in Standard CMOS Technology", Kruwer Academic Publishers, Dordrecht,
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【0008】 B.J.バリガ「スマートパワー技術の概観」、電子デバイスに関するIEE
E報告書、第38巻、第7号、1568〜1575ページ、1991年7月(B
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【0009】 W.プリビル「集積化されたスマートパワー回路に関する技術、設計、応用」
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y,Design and Application”,in Proceed
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【0010】 A.B.ムラーティ、F.ベルトッティ、G.A.ヴィニョーラ(編)「スマ
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【0013】 C.T.エフランド、T.ケラー、S.ケラー、J.ロドリゲス「サブミクロ
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【0014】 S.フィンコ、F.H.ベーレンス、M.I.カストロシマス「DC−DC電
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.1204−1211,Houston,Teas,U.S.A.,Octob
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【0015】 M.I.カストロシマス、J.コスタ.フレイレ、S.フィンコ、F.H.ベ
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M.I.Castro Simas,J.Costa Freire,S.Fi
nco,F.H.Behrens,”Modeling and Charac
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sistors”in Proceedings IEEE Industri
al Applications Society 28th Annual
Meeting,IAS’93,pp.1183−1189,Toronto,
Ontario,Canada,October 1993)。M. I. Castrosimus, J.M. Costa. Freire, S.M. Finco, F.C. H. Behrens, "Modeling and Characterization of NMOS Transistors for LDD and LDSD", The 28th Annual Meeting of the IEEE Society of Industrial Application, IAS'93, 11
83-1189, Toronto, Ontario, Canada, October 1993 (
M. I. Castro Simas, J. et al. Costa Freire, S.M. Fi
nco, F.C. H. Behrens, "Modeling and Charac
teration of LDD and LDSD NMOS Tran
sistors "in Proceedings IEEE Industry
al Applications Society 28th Annual
Meeting, IAS '93, pp. 1183-1189, Toronto,
Ontario, Canada, October 1993).
【0016】 [発明の説明と応用] 以下に、図面を参照して説明する。図面は本発明を説明するのに不可欠であり
、本発明の理解を容易にすることを目的としている。しかし、本発明が図面に限
定されることはない。 スマートパワー回路のプロトタイプを素早く作ることが実現可能かどうかを評
価するために、高速化、高集積化、低圧(5ボルト)のカスタムディジタル回路
の製造を目的とした、単一のポリシリコン層、N型ウエル、二重のメタライゼー
ションを有する低コストかつサブミクロンの標準的なCMOS技術を選択して、
ハイサイドとローサイドのスイッチ構造と、NMOSをもとにした側面の最適化
スイッチングセル(すなわち、(GSLDD/GSLDSD−NMOS)とを得
るための変更がなされた構造を用いたスマートパワーICを極めて低コストに製
作することを目指した。パワーデバイス、すなわちGSLDSD、LDSD、ま
たはそれ以外のフローティングトランジスタを適切に組み合わせ、それに同じモ
ノリシック回路に集積化された、または集積化されていない受動素子を加えたも
のを繰り返し作成することでアレイを形成できる。このアレイは、マトリックス
配置の中に組み込むことができる。このアレイはまた、要求される機能に応じ、
従来の金属マスクによって容易にプログラムすることができる。[Description and Application of the Invention] Hereinafter, description will be made with reference to the drawings. The drawings are essential for explaining the present invention and are intended to facilitate understanding of the present invention. However, the present invention is not limited to the drawings. To evaluate the feasibility of quickly making smart power circuit prototypes, a single layer of polysilicon, intended for the production of high speed, highly integrated, low voltage (5 volt) custom digital circuits, Choose N-well, low cost, sub-micron standard CMOS technology with double metallization,
A smart power IC using a structure modified to obtain a high-side and low-side switch structure and an optimized switching cell on the side based on NMOS (that is, (GSLDD / GSLDSD-NMOS)) is extremely low. Power devices, ie GSLDSD, LDSD, or any other suitable combination of floating transistors, plus integrated or non-integrated passive elements in the same monolithic circuit Can be repeatedly formed to form an array, which can be incorporated into a matrix arrangement. The array can also be used, depending on the required function.
It can be easily programmed with a conventional metal mask.
【0017】 それに加え、これらデバイスを駆動、保護するのに必要な機能、電力の制御ま
たは増幅を行なうための特定のトポロジーに従って検出や制御をするのに必要な
機能を実現するのに適した回路が技術的に発達してきたおかげで、一種類のNM
OSセルだけを使って新しいブロックを作ることが可能になった。ところでこの
NMOSセルは、主として、フローティングトランジスタであるGSLDSDま
たはLDSDか、または、別の高域通過トランジスタであるLDMOSなどであ
る。標準的CMOS技術を使って、この方法が実現可能かどうかを確かめた。パ
ワーデバイスと、効率的な駆動を目的とした駆動回路ブロック、例えばNMOS
レベルシフター、参照用電圧源、NMOS整流器、NMOSをもとにした電荷ポ
ンプ、NMOSをもとにしたブートストラップ、NMOS電流源を、プログラム
可能なNMOS構造をもとにしたマトリックスを利用して実現した。必要とされ
る相互接続を行なうには、表面の金属マスクだけを用いた。In addition, circuits suitable for implementing the functions necessary to drive and protect these devices, and the functions necessary to detect and control according to a particular topology for controlling or amplifying power. Is a kind of NM thanks to its technological development
New blocks can be created using only OS cells. By the way, this NMOS cell is mainly GSLDSD or LDSD which is a floating transistor, or LDMOS which is another high-pass transistor. Standard CMOS technology was used to see if this method was feasible. Power device and drive circuit block for efficient drive, such as NMOS
Level shifter, reference voltage source, NMOS rectifier, NMOS-based charge pump, NMOS-based bootstrap, NMOS current source implemented using a matrix based on a programmable NMOS structure did. Only the surface metal mask was used to make the required interconnections.
【0018】 すでに成熟したCMOS技術となっている、最適化されたこれらNMOSデバ
イスが、マトリックス配置の特殊な構造の中に組み込まれることで、低コストで
信頼性のある解決法が得られた。さらに、エレクトロニック設計自動化(EDA
)ツールがすでに利用できるため、自動的な配置と経路設定、システムと回路の
シミュレータ、標準セルのライブラリなどを利用して、エラーのない回路を短い
設計サイクルで実現できる。These optimized NMOS devices, already in mature CMOS technology, have been incorporated into special structures in a matrix arrangement, resulting in a low cost and reliable solution. Furthermore, electronic design automation (EDA)
) Because tools are already available, error-free circuits can be realized in a short design cycle using automatic placement and routing, system and circuit simulators, and standard cell libraries.
【0019】 したがって、この方法は、セミカスタムのスマートパワー回路の設計に極めて
適しており、したがっていかなる処理ステップも追加せずに標準的なCMOS技
術を用いてスマートパワー回路のプロトタイプを素早く製造するのにも極めて適
していることがわかる。さらに、この考え方は、カスタムICを低い連続生産コ
ストと短い生産サイクルで製造するレディメイドの解決法を得るための専用技術
に応用することもできる。The method is therefore very suitable for the design of semi-custom smart power circuits, thus making it possible to quickly produce a smart power circuit prototype using standard CMOS technology without any additional processing steps. It can be seen that the method is also very suitable for. In addition, this concept can be applied to dedicated technology for obtaining a ready-made solution for manufacturing custom ICs with low continuous production costs and short production cycles.
【0020】 [発明の範囲] 本発明は、スマートパワー回路のセミカスタム設計を行なう新しい戦略に関す
る。つまり本発明は、整流、駆動、保護、増幅、検出、および、制御に必要なす
べてのトポロジーを実現するとともに、高圧信号を取り扱うことができ、マイク
ロプロセッサとのインターフェースともなり、欠陥の検出やプロセスのモニタも
できるようにするなどの必要とされる機能に応じて、表面の金属マスクだけを用
いて簡単にプログラムできるために設計が容易な一種類のセルだけをマトリック
ス配置における基本アレイとして組み合わせることにより素早くプロトタイプを
製作することに関する。Scope of the Invention The present invention relates to a new strategy for performing semi-custom design of a smart power circuit. In short, the invention implements all the topologies needed for rectification, driving, protection, amplification, detection, and control, can handle high-voltage signals, interfaces with microprocessors, detects defects and processes. Combining only one type of cell as a basic array in a matrix arrangement that is easy to design because it can be easily programmed using only the surface metal mask, depending on the required function, such as enabling the monitoring of On making prototypes faster.
【0021】 このようにして、NMOS構造をもとにした回路が得られる。この回路の設計
にあたっては、表面の金属膜を用いて構成することができる適切な相互接続を基
本セルアレイの中および基本セルアレイ間に実現することでこの回路が得られる
ようにする。このようにすることで、CMOS技術だけでなく、集積化パワー回
路専用の技術も利用した、スマートパワー回路の素早いプロトタイプ製作という
独自性が生まれる。In this manner, a circuit based on the NMOS structure is obtained. In designing this circuit, the circuit is obtained by realizing appropriate interconnections that can be configured using the metal film on the surface in and between the basic cell arrays. In this way, the uniqueness of rapid prototype production of a smart power circuit using not only the CMOS technology but also the technology dedicated to the integrated power circuit is created.
【0022】 スマートパワー回路のプロトタイプを素早く製作できると、低電力と中間電力
への用途にただちに応用できる。それは、自動車、ロボット工学、携帯通信機器
、医療機器産業への応用であり、これらの分野では、高い信頼性とコンパクトさ
が要求される。If a prototype of a smart power circuit can be quickly manufactured, it can be immediately applied to low power and intermediate power applications. It has applications in the automotive, robotics, mobile communications and medical device industries, where high reliability and compactness are required.
【0023】 [発明の対象と目的] 本発明は、スマートモノリシック電力システム(monolithic Sm
art Power systems)において、NMOS構造だけを用いて、
スイッチング、駆動、制御、増幅、検出、保護を行なう回路の設計と実現に関す
るものである。 (a)NMOS構造に基づいたプログラム可能なマトリックス配置のセルライ
ブラリを提供する。それは、金属膜による相互接続という便利な手段を用いて、
電力の変換と増幅に必要とされる機能を実現するためである。[Object and Object of the Invention] The present invention relates to a smart monolithic power system (monolithic Sm).
art Power systems), using only the NMOS structure,
The present invention relates to the design and realization of circuits for switching, driving, controlling, amplifying, detecting, and protecting. (A) Providing a programmable matrix-arranged cell library based on an NMOS structure. It uses a convenient means of metal film interconnection,
This is to realize functions required for power conversion and amplification.
【0024】 (b)NMOS構造だけを使いながら、高圧を取り扱ったり、デバイスを制御
、駆動、検出、保護したりという必要な機能を実現することのできる回路トポロ
ジーを提供する。 (c)標準的なCMOS技術を利用してLDSDやLDD NMOSトランジ
スタを最適化することで、つまり最適化されたNMOSデバイス(GSLDDと
GSLDSD)を利用することで、絶縁破壊電圧が50ボルトまで引き上げられ
るため、絶縁破壊電圧を従来技術で認められている限界をはるかに超えた電圧範
囲まで拡張することが可能になる。 (d)連続生産のコストを実質的に低減させる。 (e)信頼性を低下させることなく生産サイクルに要する時間を短縮する。 (f)機能的ブロックの再利用を可能にする。(B) Provide a circuit topology capable of realizing necessary functions such as handling a high voltage and controlling, driving, detecting, and protecting a device while using only an NMOS structure. (C) Optimizing LDSD and LDD NMOS transistors using standard CMOS technology, ie, using optimized NMOS devices (GSLDD and GSLDSD) to increase the breakdown voltage to 50 volts As a result, it is possible to extend the breakdown voltage to a voltage range far beyond the limits recognized in the prior art. (D) Substantially reduce the cost of serial production. (E) Reduce the time required for the production cycle without reducing reliability. (F) Enable reuse of functional blocks.
【0025】 [既存の方法、材料および製品と比べた場合の利点と改良点] ここに記載されている本発明は、基本セルからなるアレイとマトリックスをカ
バーしている。そこでは、電力の制御、増幅、変換、スイッチングを行なうのに
一般的に必要とされる機能を実現するのにNMOS構造が使われている。また、
カットオフ状態に耐える電圧に対して最適化されたNMOSデバイス、すなわち
GSLDD/GSLDSDのNMOSトランジスタも使われている。Advantages and Improvements Compared to Existing Methods, Materials and Products The invention described herein covers arrays and matrices of elementary cells. Here, an NMOS structure is used to realize functions generally required for power control, amplification, conversion, and switching. Also,
NMOS devices optimized for voltages that withstand cut-off conditions, ie, GSLDD / GSLDSD NMOS transistors, are also used.
【0026】 本発明の利点は以下の通りである。 わずかなドーパントが拡散したNMOS構造だけを利用してドレイン電極とソー
ス電極を形成するために、高圧パワーデバイスを製作し、電力制御機能を実現す
るのに、通常利用されているよりも簡単な、或いは複雑さが少ない標準的な技術
を利用することができる。The advantages of the present invention are as follows. A simpler than normally used to fabricate high voltage power devices and implement power control functions to form drain and source electrodes using only NMOS structures with a small amount of dopant diffusion, Alternatively, standard techniques with low complexity can be used.
【0027】 デバイスおよび回路のシミュレーションを行なうのに、半導体構造に関して単一
の基本的電気モデルを使うことができる。 いかなる追加処理プロセスもなしに、標準的なCMOS技術と相性のよいスマ
ートパワー集積回路を製作することが可能になる。 いかなる追加処理プロセスもなしに、従来のCMOS技術と相性のよいマイク
ロシステムを大量生産することができる。それは、技術の趨勢と合致している。
すでに存在しているライブラリにパワー制御回路ライブラリを単に追加するだけ
で、市場に存在している多数の標準的なCMOSプロセスを利用してスマートパ
ワー回路を実現する可能性が生まれる。A single basic electrical model for semiconductor structures can be used to simulate devices and circuits. Without any additional processing, it is possible to produce smart power integrated circuits that are compatible with standard CMOS technology. Microsystems compatible with conventional CMOS technology can be mass-produced without any additional processing. It is consistent with technology trends.
Simply adding a power control circuit library to an existing library opens up the possibility of implementing a smart power circuit using a number of standard CMOS processes that exist on the market.
【0028】 セミカスタムのスマートパワー集積回路の製造が可能になる。つまり、セミカ
スタムのスマートパワー集積回路は、セミカスタムのディジタル回路を製造する
のに利用できる従来のCMOS技術のプロセスを用いた表面金属膜により、容易
に構成できるようになる。 スマートパワー回路を製造するための多くの専用技術を利用して、セミカスタ
ムのスマートパワー回路を製造する可能性が生まれる。そのセミカスタムのスマ
ートパワー回路は、電力制御回路ライブラリを作るだけで、表面金属膜により、
容易に構成できるようになる。The production of semi-custom smart power integrated circuits becomes possible. That is, semi-custom smart power integrated circuits can be easily configured with surface metal films using conventional CMOS technology processes that can be used to fabricate semi-custom digital circuits. The possibility of manufacturing semi-custom smart power circuits is created using many specialized technologies for manufacturing smart power circuits. The semi-custom smart power circuit only creates a power control circuit library,
It can be easily configured.
【0029】 フローティングNMOSデバイスが利用できる任意のCMOS技術を使い、ス
マートパワー集積回路のプロトタイプを素早く作ることが可能になる。 標準的なCMOS技術と相性のよい高圧トランジスタのための最適な配置を得る
ことができる。本発明はさらに、標準的なCMOS技術で一般に確立されている
よりも広い範囲の電圧に応用することもできる。Using any CMOS technology for which a floating NMOS device is available, a smart power integrated circuit prototype can be quickly made. An optimal arrangement for high-voltage transistors compatible with standard CMOS technology can be obtained. The present invention is also applicable to a wider range of voltages than is generally established in standard CMOS technology.
【0030】 [発明の詳細な説明] 以下に、本発明で用いられるマトリックスを詳細に説明する。このマトリック
スの基本セルは、最適化されたNMOSトランジスタに基づいてできている。ポ
リシリコン製ゲートマスクをシフトさせることでデバイスを最適化する技術につ
いても詳細に説明する。この技術により、このタイプの最適化されたトランジス
タの略語としてGSLDDとGSLDSDのNMOSが生まれるが、これらトラ
ンジスタも本発明の一部をなす。[Detailed Description of the Invention] Hereinafter, the matrix used in the present invention will be described in detail. The basic cells of this matrix are based on optimized NMOS transistors. A technique for optimizing a device by shifting a polysilicon gate mask will also be described in detail. This technology gives rise to GSLDD and GSLDSD NMOS as abbreviations for optimized transistors of this type, which transistors are also part of the present invention.
【0031】 提案している回路はNMOS構造のみに基づいており、そのトポロジーのいく
つかについても、本発明の不可欠な一部として詳細に説明する。この回路が、ス
マートパワーICの電力制御を行なうブロックの中にあって前記の電力スイッチ
ングデバイスを駆動するのに必要な従来の回路、例えばクリッパー、クランパー
、レベルシフター、高圧フローティングドライバー、電荷ポンプ、ブートストラ
ップなどに置き換わることになる。The proposed circuit is based solely on the NMOS structure, and some of its topologies are also described in detail as an integral part of the present invention. This circuit is in the power control block of the smart power IC, and is a conventional circuit necessary to drive the power switching device, such as a clipper, a clamper, a level shifter, a high voltage floating driver, a charge pump, and a boot. It will be replaced with a strap.
【0032】 [1.スイッチングセル] スイッチングセルは、マトリックス内で利用できるNMOS構造に基づいてい
る。なおNMOS構造は、表面にかぶせる金属膜によって構成することができる
。NMOS構造の可能な組み合わせ方は非常に多くあり、それらの組み合わせを
用いて、最も一般的なスイッチ負荷のトポロジーを実現することができる。例え
ば、ハイサイド(図1)、ローサイド(図1)、帯域通過素子(図1)、プッシ
ュプル(図2)、ハーフブリッジ(図2)、フルブリッジ(図3)、n型フェー
ズ(図4)や、それ以外にこれらから派生するトポロジーが可能である。[1. Switching Cell] The switching cell is based on the NMOS structure available in the matrix. Note that the NMOS structure can be formed of a metal film over the surface. There are numerous possible combinations of NMOS structures, and these combinations can be used to implement the most common switch load topologies. For example, high side (FIG. 1), low side (FIG. 1), band pass element (FIG. 1), push-pull (FIG. 2), half bridge (FIG. 2), full bridge (FIG. 3), n-type phase (FIG. 4) ) And other derived topologies are possible.
【0033】 マトリックスは、NMOS構造のアレイからなり、このアレイが、目的に適し
た相互接続特性を与えている。 マトリックスとアレイには、単位セルとして、単一の任意のNMOSパワート
ランジスタを一般に用いることができるが、本明細書では、マトリックスとアレ
イは、従来のCMOS技術を利用して実現できるNMOSトランジスタに基づい
ているものとする。The matrix consists of an array of NMOS structures, which gives the interconnect properties suitable for the purpose. Although any single NMOS power transistor can generally be used as the unit cell for the matrix and array, in this specification the matrix and array are based on NMOS transistors that can be implemented using conventional CMOS technology. It is assumed that
【0034】 [1.A.1 NMOS構造からなるマトリックス] マトリックス(図5)は、制御信号相互接続チャネル(中間部2I、側部2L
)によって隔てられたNMOS構造のアレイ(1)と、パッド(上部3T、下部
3B、側部3L、コーナー3C)とからなる。NMOS構造の積層数およびアレ
イの列の数は、設計するマトリクスの全電力によって決まる。[1. A. 1 Matrix Consisting of NMOS Structure] The matrix (FIG. 5) includes control signal interconnect channels (intermediate part 2I, side part 2L).
), And an array (1) of an NMOS structure separated by a pad (upper 3T, lower 3B, side 3L, corner 3C). The number of stacks in the NMOS structure and the number of columns in the array depend on the total power of the matrix to be designed.
【0035】 ドレインとソースの相互接続は、NMOS構造アレイ(1)(図5)の上に膜
としてかぶせる金属製トラック(金属2)(4)(図6)によりなされる。金属
製トラックは、それぞれのNMOS構造アレイごとに全部で6つあり、相互接続
がより柔軟になされるようにしている。ドレインとソースを接続したり、異なる
アレイのNMOS構造の間でコーナーに隣接する側部パッド(5と3L)に接続
したりするには、マトリックス(図6)の上部と下部に2本または3本設けられ
た接続用トラックとしての第1のメタライゼーション(上部6T、下部6B)を
用いる。トラックの数は、マトリックスの大きさに依存して決まる。The interconnection between the drain and the source is made by metal tracks (Metal 2) (4) (FIG. 6) overlaid on the NMOS structure array (1) (FIG. 5). There are a total of six metal tracks for each NMOS structure array, making interconnection more flexible. To connect the drain and source, or to the side pads (5 and 3L) adjacent to the corner between different arrays of NMOS structures, two or three at the top and bottom of the matrix (FIG. 6) The first metallization (upper part 6T, lower part 6B) as a connection track provided here is used. The number of tracks depends on the size of the matrix.
【0036】 NMOS構造(1)の幅は、制御信号相互接続チャネルの幅の和が4つのパッ
ド(図6)を置くのに必要な幅に対応するよう計算する。これらパッドのうちの
2つは、もっぱら電力接続用(7A)として用い、残りの2つは、制御および/
または電力信号用(7B)とする。したがって、パッドの数はアレイの数によっ
て決まり、各アレイごとに8つで、その内訳は上部に4つ、下部に4つである。
マトリックスの側部にあるパッド(図5、3L)の数は、下部(3B)と上部(
3T)にあるパッドの数と同じである。制御信号相互接続チャネル(2Iと2L
)(図5)の数は、NMOS構造アレイ(1)の数に1を加えた数に等しくなっ
ている。そのため、マトリックスの両側に制御信号相互接続チャネル(図5)が
存在し、制御信号相互接続チャネルをマトリックスの両側に位置するパッド(3
L)に接続することが可能になる。The width of the NMOS structure (1) is calculated such that the sum of the widths of the control signal interconnect channels corresponds to the width required to place the four pads (FIG. 6). Two of these pads are used exclusively for power connection (7A) and the other two are used for control and / or
Or, it is for a power signal (7B). Therefore, the number of pads is determined by the number of arrays, eight for each array, with four at the top and four at the bottom.
The number of pads (FIGS. 5, 3L) on the side of the matrix is lower (3B) and upper (3B).
3T) is the same as the number of pads. Control signal interconnect channels (2I and 2L
) (FIG. 5) is equal to the number of NMOS structure arrays (1) plus one. Therefore, control signal interconnect channels (FIG. 5) are present on both sides of the matrix, and control signal interconnect channels are located on pads (3
L).
【0037】 [1.A.2 可能な相互接続] NMOS構造同士の相互接続とNMOS構造のパッドへの接続は、技術的に可
能な最小サイズと各マトリックス特有の制約とによって決まるグリッド状の最短
接続経路に基づいている。相互接続用トラック全体の幅は、第1のメタライゼー
ション(金属1)と第2のメタライゼーション(金属2)のいずれにおいても、
個々のトラックの倍数である。[1. A. 2 Possible Interconnections] The interconnections between the NMOS structures and the connections to the pads of the NMOS structures are based on a grid-like shortest connection path determined by the minimum technically possible size and the specific constraints of each matrix. The width of the entire interconnect track in both the first metallization (Metal 1) and the second metallization (Metal 2)
It is a multiple of each track.
【0038】 制御信号相互接続チャネル(図7)は、水平方向の接続用で金属1からなるト
ラック(12)と、あらかじめ決められているチャネル(17)(図7a)の上
にかぶさって垂直方向の接続をなす金属2からなるトラック(8)とで構成され
ている。金属2/金属1の接続には、すでに存在している一連のビア(sets
of vias:22)を用いる。これらビアは、厚いフィールド酸化物を貫
通して第1と第2のメタライゼーションを接続している。The control signal interconnect channel (FIG. 7) is made up of a metal 1 track (12) for horizontal connection and a vertical channel over a predetermined channel (17) (FIG. 7a). And a track (8) made of metal 2 which makes the above connection. For the metal2 / metal1 connection, a series of already existing vias (sets
of vias: 22) is used. These vias connect the first and second metallizations through the thick field oxide.
【0039】 このような前処理をした構成のマトリックスによる相互接続は、NMOS構造
(16E)の接続端子群と相互接続チャネル(16C)の接続端子群の間に挿入
した長方形の金属2と、金属2からなるトラック(8)とによって実現される(
図7b)。こうすることによって、アクセスのための垂直方向の接続、例えば上
部(6T)と下部(6B)をつなぐチャネル(図5)またはパッド(3T、3L
、3B)を実現したり、電流レベルを低くするために、スイッチングセルを局所
的に相互に接続して所定の回路トポロジーを形成したりする。The interconnection by the matrix having such a pre-processed configuration is made up of a rectangular metal 2 inserted between the connection terminal group of the NMOS structure (16E) and the connection terminal group of the interconnection channel (16C), (8) consisting of two tracks (8)
Figure 7b). This allows vertical connections for access, such as channels (FIG. 5) or pads (3T, 3L) connecting the upper (6T) and lower (6B).
3B), or to lower the current level, the switching cells are locally interconnected to form a predetermined circuit topology.
【0040】 垂直チャネル内の金属2のトラックと接続するためには、このメタライゼーシ
ョン内に、最も近いビア(22)からの小さな導電経路を水平方向に追加する必
要がある。 長方形の金属(12)からなり、多数のビア(22)によって金属2(21)
に接続された接続端子群がNMOS構造(16E)と相互接続チャネル(16C
)(図7b)の両方に存在しているため、NMOS構造のゲート(16P)、ド
レイン(16D)、ソース(16F)、保護リング(11)から延びる金属1の
トラック(12)を、相互接続チャネルの水平な金属1のトラック(12)に接
続することができる(図7aおよび図7b)。In order to connect to the metal 2 tracks in the vertical channels, a small conductive path from the nearest via (22) needs to be added horizontally in this metallization. It is made of a rectangular metal (12) and has a number of vias (22) to form a metal 2 (21)
Are connected to the NMOS structure (16E) and the interconnect channel (16C).
) (FIG. 7b), interconnect the gate (16P), drain (16D), source (16F), metal 1 tracks (12) extending from the guard ring (11) of the NMOS structure. It can be connected to the horizontal metal 1 track (12) of the channel (FIGS. 7a and 7b).
【0041】 相互接続チャネルの金属1のトラック(12)は、このチャネルに隣接する2
つのNMOS構造に独立にアクセスできるよう、途中で切れている(12I、図
7a)。相互接続チャネルは、異なるアレイ内の基本セル間の水平方向の相互接
続と、同一のアレイ内の基本セル間の垂直方向の相互接続の両方を実現している
。 どの制御チャネルにも、各基本セルのための2つのポリシリコン製抵抗器(2
3)がある。このポリシリコンは、トランジスタのゲートを作るのに使われるポ
リシリコンよりは大きな抵抗値であり、その典型的な値は、45Ω/□である(
図7a)。抵抗器(23)は、ポリシリコン2/金属1からなる一対の接点(2
3C)を用いて、異なる金属1のトラック(12)の間に挿入されている(図7
a)。The metal channel 1 track (12) of the interconnect channel is adjacent to the channel 2
The two NMOS structures are cut off in the middle so that they can be accessed independently (12I, FIG. 7a). The interconnect channels provide both horizontal interconnection between elementary cells in different arrays and vertical interconnection between elementary cells in the same array. Each control channel has two polysilicon resistors (2
There is 3). This polysilicon has a higher resistance than the polysilicon used to make the gate of the transistor, and its typical value is 45Ω / □ (
Figure 7a). The resistor (23) has a pair of contacts (2
3C) between different metal 1 tracks (12) (FIG. 7).
a).
【0042】 P+の拡散により形成された接地面(24)(図5)があるため、ノイズの原
因となる可能性のあるあらゆる閉ループを排除することができる。また、制御用
相互接続チャネルの下にあるこのP+拡散トラック(24)(図7b)は、マト
リックスの上部(6T)と下部(6B)にある導電チャネルの下に位置するP+
トラックに交互に接続されている。P+Due to the ground plane (24) (FIG. 5) formed by the diffusion of
Any potential closed loop can be eliminated. Also for control
This P below the interconnect channel+The diffusion track (24) (FIG. 7b)
P located below the conductive channels at the top (6T) and bottom (6B) of the ricks+
Alternatingly connected to trucks.
【0043】 [1.A.3 基本となるNMOS構造] 基本となるNMOS構造は、並置した2つのLDSD(ソースとドレインにわ
ずかにドーピングした)トランジスタからなる(図8)。この2つのトランジス
タは、P+が拡散された保護リング(11)のみを共有していて、別々に使用で
きるようになっている。なお保護リングは、全体を取り囲むようにもなっている
(図8)。[1. A. 3. Basic NMOS Structure] The basic NMOS structure consists of two LDSD (lightly doped source and drain) transistors juxtaposed (FIG. 8). These two transistors share only the protection ring (11) in which P + is diffused, and can be used separately. The protection ring also surrounds the whole (FIG. 8).
【0044】 NMOS構造への内部接続は、このNMOS構造全体にわたって水平方向に設
けられた複数の金属1のトラックによりなされる。これらトラックは、NMOS
構造のソース(10)とドレイン(13)(図8)に接続されているが、その大
多数は、レイアウト規則にのっとった技術により可能な金属1/拡散領域の接続
によるものであり、個々のN+拡散領域に接続されている。この方法は、接触抵
抗を小さくし、トランジスタの端子に沿った電流の分布を均一にすることを目的
としている。金属2のトラック(4)を正しい角度で金属1のトラックに接続す
るために、適切な数のビアとして5〜7組のビア(15)(図8)が技術的に可
能な方法で設けられていて、電流が、このNMOS構造で処理される最大電流以
下になるようにしてある。隣接するアレイおよび/またはマトリックス外アレイ
の水平方向の接続は、NMOS構造の両側にある金属1のトラックの端部に位置
するビア群(16E)による(図7b)。ゲート電極は少なくとも2つのビア(
16P)(図7a)を備えており、そのことによって冗長度が生まれて、この接
続がより丈夫、かつ、より小さな抵抗値となっている。ドレイン電極(16D)
とソース電極(16F)(図7a)は、十分な電流容量のある4本以上のビアを
備えていて、単一のNMOS構造で処理される最大電流を流せるようになってい
る。The internal connection to the NMOS structure is made by a plurality of metal 1 tracks provided horizontally across the entire NMOS structure. These tracks are NMOS
It is connected to the source (10) and drain (13) of the structure (FIG. 8), the majority of which are due to the connection of metal 1 / diffusion regions, which can be achieved by techniques according to layout rules. It is connected to the N + diffusion region. This method aims at reducing the contact resistance and making the current distribution along the terminals of the transistor uniform. In order to connect the metal 2 tracks (4) to the metal 1 tracks at the correct angles, 5-7 sets of vias (15) (FIG. 8) are provided as appropriate vias in a technically feasible manner. Current is less than the maximum current handled by this NMOS structure. The horizontal connection of adjacent arrays and / or extra-matrix arrays is via vias (16E) located at the ends of metal 1 tracks on either side of the NMOS structure (FIG. 7b). The gate electrode has at least two vias (
16P) (FIG. 7a), which creates redundancy and makes this connection more robust and has a lower resistance. Drain electrode (16D)
And the source electrode (16F) (FIG. 7a) has four or more vias with sufficient current capacity to allow the maximum current to be handled by a single NMOS structure.
【0045】 トランジスタのゲートから相互接続チャネルへの接続(18)(図7aと図8
)は、NMOS構造の両側でなされ、パッドへのアクセスが容易になるようにし
ている。そうすることにより、一般には金属1/ポリシリコンの接点をトランジ
スタの活性領域の上には置けないという技術的制約をクリアすることができる。
ゲートのポリシリコン製トラックの上には、金属1からなる余分の接続端子が、
NMOS構造に沿って存在している。The connection (18) from the gate of the transistor to the interconnect channel (FIGS. 7a and 8)
) Are made on both sides of the NMOS structure to facilitate pad access. By doing so, it is possible to clear the technical restriction that the metal 1 / polysilicon contact cannot generally be placed on the active region of the transistor.
On the polysilicon track of the gate, an extra connection terminal made of metal 1
Present along the NMOS structure.
【0046】 ほぼ閉じたリング構造(図8)の中で、外部トランジスタのソース(10)と
、P+を拡散した保護リング(11)とが、全体を取り囲んでいる。そのため、
I/Oパッドに付随して設けられる入力/出力保護構造の場合と同様に、ときた
ま発生する静電放電の影響をより受けにくくなっている。この保護リング(11
)(図8)は、アレイ内の隣接するNMOS構造が共有している。 NMOS構造間には金属1のトラックを追加して、制御信号相互接続のための
別の経路を提供するとよい。In the substantially closed ring structure (FIG. 8), the source (10) of the external transistor and the protection ring (11) in which P + is diffused surround the whole. for that reason,
As in the case of the input / output protection structure provided in association with the I / O pad, it is less susceptible to occasional electrostatic discharge. This protection ring (11
) (FIG. 8) are shared by adjacent NMOS structures in the array. Metal 1 tracks may be added between the NMOS structures to provide another path for control signal interconnects.
【0047】 使われているNMOS構造の特徴は、(低濃度の不純物をウエルに拡散させる
というCMOS技術プロセスにおいて可能な方法によって)わずかにドープされ
た領域を有する側部トランジスタがドレイン領域とソース領域の両方を流れる電
流の通過経路内にあって、ゲート酸化膜の下にある面における電場のピーク値を
小さくしている点である。したがって、低インピーダンスの帯域通過トランジス
タとして使われている一対の基本LDSDデバイスは、どちらもフローティング
ドレイン電極とフローティングソース電極を持ち、それゆえ、両方の電極で基板
よりも十分に高い電圧に耐えることができる。The feature of the NMOS structure used is that the side transistors with lightly doped regions (due to the possible diffusion of lightly doped impurities into the CMOS technology process) have drain and source regions. Is that the peak value of the electric field on the surface below the gate oxide film in the passage of the current flowing through both of them is reduced. Thus, a pair of elementary LDSD devices used as low impedance bandpass transistors both have a floating drain electrode and a floating source electrode, and therefore both electrodes can withstand sufficiently higher voltages than the substrate. it can.
【0048】 使われているLDSDのNMOSトランジスタは、絶縁破壊電圧を考慮して、
わずかにドープされたウエルのマスクに対してゲートマスクをシフトさせること
により最適化した。そうすることで、表面の電場のピーク値を小さくする効果が
大きくなる。こうして、基本LDSDトランジスタをもとにした、GSLDSD
と呼ばれるデバイスが得られる。GSLDSDというのは、ゲートシフテッドL
DSDの頭文字を取った略語であり、低インピーダンスの帯域通過トランジスタ
として用いられる。したがってこのトランジスタのフローティングドレイン電極
とフローティングソース電極は、基板よりも高い電圧に耐えることができる。こ
の構造については、次の段落で詳細に説明する。The LDSD NMOS transistor used is designed in consideration of the breakdown voltage.
Optimized by shifting the gate mask relative to the lightly doped well mask. By doing so, the effect of reducing the peak value of the electric field on the surface increases. Thus, the GSLDSD based on the basic LDSD transistor
A device called is obtained. GSLDSD is a gate-shifted L
Abbreviation for DSD, used as a low-impedance band-pass transistor. Therefore, the floating drain electrode and floating source electrode of this transistor can withstand a higher voltage than the substrate. This structure is described in detail in the next paragraph.
【0049】 [1.B. GSLDD/GSLDSDのNMOSトランジスタ] ゲートシフテッドLDSDまたはゲートシフテッドLDSD(GSLDDまた
はGSLDSD)NMOSトランジスタの1つの特徴は、CMOS技術における
のと同様、ゲート電極がN型ウエルの側部拡散領域(31)と一直線に揃ってい
ることである。その様子が、図9に示してある。[1. B. GSLDD / GSLDSD NMOS Transistor] One feature of the gate-shifted LDSD or gate-shifted LDSD (GSLDD or GSLDSD) NMOS transistor is that the gate electrode has an N-type side diffusion region (31) as in CMOS technology. And that they are aligned. This is shown in FIG.
【0050】 図9は、GS−NMOSトランジスタからなる基本NMOS構造の一例の断面
図である。この構造は、P型基板にN型ウエルを拡散させるという、従来の任意
のCMOS技術における製造プロセスを変えることなしに得ることができる。ソ
ース/ドレイン(27)は、高濃度の不純物を拡散させたN+拡散領域(28)
からなる。この領域は、従来技術で知られている標準的NMOSトランジスタの
ドレインとソースとして一般に使われている。従来技術のN型ウエル(26)に
は低濃度の不純物を拡散させるが、このN型ウエルは、通常は従来技術で知られ
るPMOSトランジスタの基板として使われる。なおN型ウエルの不純物濃度は
、基板とオーダーは同じだが基板の濃度よりはわずかに高いことを特徴とする。
このN+拡散領域(28)とこのデバイスのチャネルの間で、キャリアが、LO
COS(シリコンの局所的酸化)として一般に知られるプロセスによって形成し
たフィールド酸化物(29)の下にあるドリフト領域を横断して、N型ウエル拡
散領域(26)の金属接合の端部に達する。FIG. 9 is a cross-sectional view of an example of a basic NMOS structure including a GS-NMOS transistor. This structure can be obtained without changing the manufacturing process in any conventional CMOS technology of diffusing an N-type well into a P-type substrate. The source / drain (27) is an N + diffusion region (28) in which a high concentration impurity is diffused.
Consists of This region is commonly used as the drain and source of standard NMOS transistors known in the prior art. A low concentration impurity is diffused into the prior art N-well (26), which is typically used as the substrate of a PMOS transistor known in the prior art. The impurity concentration of the N-type well is the same as that of the substrate, but is slightly higher than that of the substrate.
Between the N + diffusion region (28) and the channel of the device, carriers
Across the drift region under the field oxide (29) formed by a process commonly known as COS (local oxidation of silicon), the end of the metal junction of the N-type well diffusion region (26) is reached.
【0051】 ゲート(32)の配置に独創性を主張しており、同じ技術で得られる従来のN
MOSトランジスタや古典的なLDSDトランジスタにおけるよりもはるかに高
い電圧でなだれ増幅による絶縁破壊が起こるようになる。ポリシリコン製ゲート
(32)が、数百オングストロームと薄いゲート酸化物(30)の上にかぶせら
れている。ゲート(32)の端部を、N型ウエル(26)の側部拡散領域(31
)の上方でソース/ドレイン(27)の横となる位置(古典的なLDSDトラン
ジスタでは、N型ウエルのマスクときっちり揃っている)に置くことにより、従
来のNMOSトランジスタや古典的なLDSDトランジスタにおけるよりも高い
電圧で、デバイスの絶縁破壊を起こすシリコンの臨界電場に到達するようにする
ことが可能である。したがって、このデバイスのマスクのレイアウトとポリシリ
コン製のN型ウエルのマスクは、決してぴったり重なることはなく、出願人が“
ゲートシフト”と呼ぶことを提案しているものによって分離されている。この“
ゲートシフト”によって、このタイプの半導体デバイスとして提案する、ゲート
シフテッドNMOS、つまりGS−NMOSという名称が生まれた。ここで論じ
ている構造は古典的なLDSDトランジスタに基づいているため、上で説明した
のとまったく同じゲート構造を有する半導体デバイスのことを、以後は、ゲート
シフテッドLDSDのNMOS、すなわちGSLDSDのNMOSと呼ぶことに
する。The original arrangement of the gate (32) is claimed, and the conventional N
Avalanche amplification causes dielectric breakdown at much higher voltages than in MOS transistors and classic LDSD transistors. A polysilicon gate (32) is overlaid on the gate oxide (30), which is as thin as several hundred angstroms. The end of the gate (32) is connected to the side diffusion region (31) of the N-type well (26).
) Above and next to the source / drain (27) (in a classic LDSD transistor, it is exactly aligned with the mask of an N-type well) so that it can be used in a conventional NMOS transistor or a classical LDSD transistor. At higher voltages, it is possible to reach the critical electric field of silicon which causes device breakdown. Therefore, the layout of the mask of this device and the mask of the N-type well made of polysilicon never overlap, and the applicant has stated,
It is separated by what it proposes to call a "gate shift."
The term "gate shift" has given rise to the name of a gate-shifted NMOS, or GS-NMOS, proposed as a semiconductor device of this type. The structure discussed here is based on a classic LDSD transistor and is described above. The semiconductor device having the same gate structure as that described above is hereinafter referred to as a gate-shifted LDSD NMOS, that is, a GSLDSD NMOS.
【0052】 上記マスク間の距離が大きくなるほど、トランジスタの絶縁破壊電圧は大きく
なる。この距離がそれほど大きくなくてゲートの端部が側部拡散領域(31)と
重ならなくなった場合には、チャネルの形成が確実に妨げられることになろう。
デバイス内のチャネル形成に影響を与えることなく技術的に可能な限り絶縁破壊
電圧を増加させるためには、利用する技術にもよるが、ゲートシフトの許容誤差
として数百ナノメートルが必要となろう。[0052] As the distance between the masks increases, the breakdown voltage of the transistor increases. If the distance is not so great that the edge of the gate no longer overlaps the side diffusion region (31), the formation of the channel will be reliably prevented.
To increase the breakdown voltage as technically as possible without affecting channel formation in the device, gate shift tolerances of several hundred nanometers will be required, depending on the technology used. .
【0053】 GSLDSDのドレイン(35)の構成は、あらゆる点でソース/ドレイン(
27)の構成と同じであり、ゲートシフトは、ソース/ドレイン(27)の側と
ドレイン(35)の側の両方にあることが望ましい。もしデバイスが切り離しの
際に対称であれば、ドレイン側とソース側の両方で電圧に関して同じ耐久性が得
られる。そのため、このデバイスがハイサイドトランジスタの特性を有すること
になる。製造にあたって、互いに隣接するN型ウエル(26)と(37)の距離
が許容可能な最小値となるよう厳密に管理することが重要であることに注意され
たい。上記の拡散領域間の距離は、N型ウエル用マスク内におけるその拡散領域
の大きさを決めている長方形区画間の距離に応じて調整し、デバイスがパンチス
ルー状態にならないようにする必要がある。The configuration of the drain (35) of the GSLDSD is in all respects a source / drain (
It is the same as the configuration of 27), and it is desirable that the gate shift is on both the source / drain (27) side and the drain (35) side. If the device is symmetrical at the time of disconnection, the same voltage endurance is obtained on both the drain and source sides. Therefore, this device has characteristics of a high-side transistor. It should be noted that in manufacturing, it is important to strictly control the distance between adjacent N-type wells (26) and (37) to an acceptable minimum value. The distance between the diffusion regions must be adjusted according to the distance between the rectangular sections that determine the size of the diffusion region in the N-type well mask so that the device does not punch through. .
【0054】 ローサイドトランジスタを有するNMOS構造では、GS−NMOSトランジ
スタのソースは、N+拡散領域(39)のみで構成するとよい。このトランジス
タのことを、以後、GSLDD NMOSと呼ぶことにする。というのも、この
トランジスタは、LDD NMOSの古典的な構成に基づいているからである。
この場合、ソース電極(40)は、従来技術で知られている第1の金属レベルに
より、従来技術で知られているPMOSトランジスタのドレインとソースの拡散
領域に通常使われている不純物濃度の高いP+拡散領域(41)に接続された端
子(42)を通じ、基板(25)に電気的に接続することができる。この構成だ
と、オフ状態における許容可能な最大電圧は、GSLDSDで得られるのと同じ
値になる。In the NMOS structure having the low-side transistor, the source of the GS-NMOS transistor may be constituted only by the N + diffusion region (39). This transistor is hereinafter referred to as GSLDD NMOS. This is because this transistor is based on the classic configuration of an LDD NMOS.
In this case, the source electrode (40) has a high impurity concentration commonly used for the drain and source diffusion regions of the PMOS transistor known in the prior art due to the first metal level known in the prior art. Through a terminal (42) connected to the P + diffusion region (41), it can be electrically connected to the substrate (25). With this configuration, the maximum allowable voltage in the off state is the same as that obtained by GSLDSD.
【0055】 ゲートシフト技術を利用することは、一般的なLDSDデバイスと比べてGS
LDSDデバイスのオン状態の抵抗が大きくなることを意味する。というのも、
ドレイン電極とゲートの端部の間をキャリアが流れる経路を長くする必要がある
からである。 要するに、ゲート端部の下には、不純物濃度がウエル表面よりもはるかに低い
ウエルの側部拡散領域が存在しているため、GSLDD/GSLDSDデバイス
の絶縁破壊電圧は、古典的なLDD/LDSDデバイスにおけるよりも高くなる
。したがって、電場は古典的なデバイスにおけるよりもはるかに少量のドーピン
グがされた領域に存在することになるために広がり、従来よりもはるかに高いド
レイン−ソース電圧値が得られることになる。Utilizing the gate shift technology requires a GS compared to a general LDSD device.
This means that the on-state resistance of the LDSD device increases. Because
This is because it is necessary to lengthen a path through which carriers flow between the drain electrode and the end of the gate. In short, the breakdown voltage of the GSLDD / GSLDSD device is lower than that of the classical LDD / LDSD device because there is a well side diffusion region below the gate edge where the impurity concentration is much lower than the well surface. Higher than in. Thus, the electric field will spread because it will be in much less doped regions than in classical devices, resulting in much higher drain-source voltage values than before.
【0056】 [2. NMOS構造に基づいた回路] 電力制御、すなわちパワーデバイスの駆動に必要な回路であり、典型的には、
整流、クリップ、クランプ、調節、電圧レベルのシフト、電荷ポンプ、ブートス
トラップの各機能を実現する。 NMOS構造に基づいていて、しかも新規性があると主張しているこれら回路
のトポロジーの実例を以下に説明する。NMOS構造には、基本的に、1で記述
したLDSDのNMOSトランジスタが用いられる。LDMOSトランジスタを
用いてこの回路を製造するためのトポロジーの例についても記述する。 LDSDのNMOSトランジスタでは本体(P型)が基板と一致しているのに
対し、LDMOSトランジスタでは、本体(P型)が対応するソースに接続され
ていて、ドレイン電極およびソース電極と同様にP型基板に対してフローティン
グ状態になることを強調しておく必要がある。[2. Circuit based on NMOS structure] This is a circuit necessary for power control, that is, driving of a power device.
Provides rectification, clipping, clamping, adjustment, voltage level shifting, charge pump, and bootstrap functions. Examples of the topologies of these circuits, which are based on the NMOS structure and which claim to be novel, are described below. For the NMOS structure, basically, the LDSD NMOS transistor described in 1 is used. Examples of topologies for manufacturing this circuit using LDMOS transistors are also described. In the LDSD NMOS transistor, the body (P type) matches the substrate, whereas in the LDMOS transistor, the body (P type) is connected to the corresponding source, and the P type is the same as the drain electrode and the source electrode. It must be emphasized that the substrate becomes floating with respect to the substrate.
【0057】 使用するNMOS構造がLDSDのNMOSトランジスタに基づいている場合
、その構造を4つの端子を備えるシンボルで表現する。すると、本体は必然的に
基板に接続されることになる。もし使用するNMOS構造がLDMOSトランジ
スタに基づいている場合、(本体の)4番目の端子は、必然的にこのトランジス
タのソースに接続されることになる。この回路の機能がトランジスタの種類によ
らないのであれば、トランジスタは3端子のシンボルで表現し、トランジスタ本
体の端子を省略する。If the NMOS structure used is based on an LDSD NMOS transistor, the structure is represented by a symbol with four terminals. Then, the main body is inevitably connected to the substrate. If the NMOS structure used is based on an LDMOS transistor, the fourth terminal (of the body) will necessarily be connected to the source of this transistor. If the function of this circuit does not depend on the type of transistor, the transistor is represented by a three-terminal symbol, and the terminal of the transistor body is omitted.
【0058】 [2.A. ツェナー回路とツェナー整流器] 整流、クリップ、クランプ、調節を用途とする回路には、整流ダイオードまた
はツェナーダイオード(図10)が用いられており、その機能は、NMOS構造
を所定のトポロジーにすることでエミュレーションできる。 たいていのNMOS構造は、NMOSトランジスタを駆動する制御ブロック(
図11)を必要とする。多くの回路トポロジーでは、NMOS構造に固有の寄生
ダイオードを用いて所望の機能を実現している。制御回路は、通常は、2つの制
御ブロックを含んでいる。1つはアナログ/ディジタル制御ブロックである。こ
のブロックは従来の回路と制御技術を利用しており、この回路のグラウンドに接
続されていて低圧で動作する。もう1つはこの制御回路の出力ブロックである。
これはGゲイン増幅器であり、ローサイドトランジスタとハイサイドトランジス
タのいずれを備えていてもよく、この制御回路を動作させるのに適切なレベルの
電圧と電流を供給する。図11aと図11bは、上に説明した制御回路を回路図
として表現したものである。[2. A. Zener Circuit and Zener Rectifier] A rectifier diode or a zener diode (FIG. 10) is used in a circuit for rectification, clipping, clamping, and adjustment, and its function is to make an NMOS structure a predetermined topology. Can emulate. Most NMOS structures have a control block (for driving NMOS transistors).
FIG. 11) is required. In many circuit topologies, the desired function is realized by using a parasitic diode unique to the NMOS structure. The control circuit usually includes two control blocks. One is an analog / digital control block. This block utilizes conventional circuitry and control techniques and is connected to the ground of this circuitry and operates at low voltage. The other is an output block of this control circuit.
This is a G-gain amplifier, which may include either a low-side transistor or a high-side transistor, and provides appropriate levels of voltage and current to operate this control circuit. 11a and 11b are circuit diagrams of the control circuit described above.
【0059】 [2.A.1 ツェナー回路] ツェナー回路(図12、図13)は、PN接合(図10b)で実現されるツェ
ナーダイオードと同じ機能を有する。NMOSトランジスタを用いてツェナー回
路(図12はLDSDタイプ、図13はLDMOSタイプ)を実現するには、N
MOS構造(52/60)のドレイン電極(49)、ゲート電極(50)、ソー
ス電極(51)を、グラウンド(56)に接続された電気的制御回路(45/5
4)に接続する。一般に、LDSD構造用の制御回路は、LDMOS構造用の制
御回路とは異なることに注意されたい。しかし動作原理は同様であり、以下では
LDSDトランジスタについて記述することにする。[2. A. 1 Zener Circuit] The Zener circuit (FIGS. 12 and 13) has the same function as the Zener diode realized by the PN junction (FIG. 10B). To realize a zener circuit (LDSD type in FIG. 12 and LDMOS type in FIG. 13) using NMOS transistors, N
The drain electrode (49), the gate electrode (50), and the source electrode (51) of the MOS structure (52/60) are connected to an electric control circuit (45/5) connected to the ground (56).
Connect to 4). Note that in general, the control circuit for the LDSD structure is different from the control circuit for the LDMOS structure. However, the operation principle is the same, and the LDSD transistor will be described below.
【0060】 制御回路(45)の動作はプログラム可能であり、以下のように動作する。す
なわち、NMOS構造(52)のゲートG(50)とソースS(51)間の電圧
値を制御することによって、ドレインD(49)とソースS(51)間の電圧値
を所望のツェナー電圧値にする。ツェナー回路においてこの値をプログラムする
には、制御回路の参照信号入力(46)に、電圧または電流として、アナログま
たはディジタルの参照信号Refを入力する。The operation of the control circuit (45) is programmable and operates as follows. That is, by controlling the voltage value between the gate G (50) and the source S (51) of the NMOS structure (52), the voltage value between the drain D (49) and the source S (51) is changed to a desired Zener voltage value. To To program this value in the Zener circuit, an analog or digital reference signal Ref is input as a voltage or current to the reference signal input (46) of the control circuit.
【0061】 制御回路(45)は、ドレイン(49)とソース(51)間の電圧をモニタし
てNMOS構造のゲート(50)に作用を及ぼし、NMOSトランジスタ(47
)のオン状態の抵抗値を制御する。ドレインD(49)とソースS(51)間の
電圧値VDSがプログラムされた値を超えたときには、制御回路がトランジスタ
(47)の導電性を向上させてVDSが所定の値に保たれるようにする。VDS
が制御回路にプログラムされた値よりも低い場合には、NMOS構造(52)の
内部で電力が消費されることはなく、ツェナー回路内の電流は最小値を取る。こ
れは、制御回路のバイアス電流と同じ値になるはずである。The control circuit (45) monitors the voltage between the drain (49) and the source (51).
Acts on the gate (50) of the NMOS structure, and the NMOS transistor (47)
) Controls the on-state resistance value. Between the drain D (49) and the source S (51)
Voltage value VDSIf the control value exceeds the programmed value, the control circuit
By improving the conductivity of (47), VDSIs maintained at a predetermined value. VDS
Is lower than the value programmed in the control circuit, the NMOS structure (52)
No power is consumed internally and the current in the zener circuit takes a minimum value. This
This should be the same value as the bias current of the control circuit.
【0062】 [2.A.2. 整流回路] 整流ダイオード(図10a)の動作と、整流ダイオードとツェナーダイオード
の組み合わせ(図10c)の動作は、もしNMOS構造(52)と(60)のト
ランジスタのサイズが正しければ、図14、図15、図16、図17のクリッピ
ング回路によってエミュレーションされる。[2. A. 2. Rectifier Circuit] The operation of the rectifier diode (FIG. 10a) and the operation of the combination of the rectifier diode and the zener diode (FIG. 10c) are described in FIGS. 14 and 10 if the sizes of the transistors of the NMOS structures (52) and (60) are correct. 15, and emulated by the clipping circuit of FIGS.
【0063】 図10cに示した、直列接続された整流ダイオードとツェナーダイオードの動
作は、増幅器(G)とモニタ制御回路(図11)とを備える制御ユニット(45
)を用いて再現することができる。この回路は、図14に示したように、LDS
DのNMOSトランジスタに基づいたNMOS構造(52)を用いて実現できる
。この回路は、図15に示したNMOS構造用のLDMOSトランジスタに基づ
いて実現することもできる。この場合、同様の制御ユニット(54)が使われて
いる。The operation of the series-connected rectifier diode and zener diode shown in FIG. 10C is performed by a control unit (45) including an amplifier (G) and a monitor control circuit (FIG. 11).
) Can be reproduced. This circuit, as shown in FIG.
This can be realized by using the NMOS structure (52) based on the D NMOS transistor. This circuit can also be realized based on the LDMOS transistor for the NMOS structure shown in FIG. In this case, a similar control unit (54) is used.
【0064】 LDSDタイプのNMOSトランジスタに基づいたNMOS構造(52)は、
仕様の範囲内でフローティングで動作する必要がある。ダイオードの構成にされ
たNMOS構造内のトランジスタのドレイン電極、ゲート電極、ソース電極は、
グラウンド端子GND(56)に対して常に正の電圧で動作せねばならない。制
御回路(45)内の駆動回路Gは、等価アノード(A’)(49)と等価カソー
ド(K’)(51)の間にかかる電圧により制御されるソース(51)とゲート
(50)の間に十分な電圧を印加することによって、NMOS構造(52)のイ
ンピーダンスを小さくするよう機能する。実際、A’(49)の電圧がK’(5
1)の電圧よりも大きくなったとき、制御回路は、フォーワードバイアストダイ
オードをエミュレートする動作を行う。他方、A’(49)の電圧がK’(51
)の電圧よりも小さくなったときには、制御回路は、トランジスタ(47)をカ
ットオフ状態にするように動作する。これは、逆バイアス下におけるダイオード
と等価である。ダイオードの効果が要求される多くの用途において、低圧で動作
するGゲイン制御回路(45)は必要なくなり、図16と図17に示したように
、ドレイン(49)とゲート(50)間、またはドレイン(49)とソース(5
1)間の短絡回路に還元される。An NMOS structure (52) based on an LDSD type NMOS transistor is:
Must operate floating within specifications. The drain electrode, gate electrode, and source electrode of the transistor in the NMOS structure configured as a diode are:
It must always operate at a positive voltage with respect to the ground terminal GND (56). The drive circuit G in the control circuit (45) includes a source (51) and a gate (50) controlled by a voltage applied between the equivalent anode (A ') (49) and the equivalent cathode (K') (51). By applying a sufficient voltage in between, it functions to reduce the impedance of the NMOS structure (52). In fact, the voltage of A '(49) is K' (5
When the voltage becomes larger than the voltage of 1), the control circuit performs an operation of emulating the forward biased diode. On the other hand, when the voltage of A '(49) is K' (51)
When the voltage becomes lower than the voltage of ()), the control circuit operates to set the transistor (47) to the cutoff state. This is equivalent to a diode under reverse bias. In many applications where the effect of a diode is required, the G gain control circuit (45) operating at a low voltage is not necessary, and as shown in FIGS. 16 and 17, between the drain (49) and the gate (50), or Drain (49) and source (5
It is reduced to a short circuit between 1).
【0065】 [2.B レベルシフター] スマートパワー回路で頻繁に用いられるレベルシフターには、図18に示した
ように、高圧のPMOSまたはPNPトランジスタと、高圧のNMOSまたはN
PNトランジスタが用いられている。低インピーダンス経路が交互に動作状態に
される。[2. B level shifter] The level shifter frequently used in the smart power circuit includes a high-voltage PMOS or PNP transistor and a high-voltage NMOS or N as shown in FIG.
A PN transistor is used. The low impedance paths are activated alternately.
【0066】 権利を主張しているトポロジーは、レベルシフターをエミュレートするもので
、図19と図20に示したように、NMOS構造だけを使って2つの低インピー
ダンス経路を実現している。このNMOS構造には、NMOSトランジスタ(7
8、79、80)、抵抗器R1とR2、ツェナーダイオードDZ、整流ダイオー
ドDRが含まれている。抵抗器R2、ツェナーダイオードDZ、整流ダイオード
DR、またはこれらの一部は、構成によっては省略することができ、したがって
特定の用途に適した様々な回路を製造することができる。The claimed topology emulates a level shifter and implements two low impedance paths using only NMOS structures, as shown in FIGS. 19 and 20. This NMOS structure includes an NMOS transistor (7
8, 79, 80), resistors R1 and R2, a Zener diode DZ, and a rectifier diode DR. The resistor R2, the Zener diode DZ, the rectifier diode DR, or some of them can be omitted in some configurations, and thus various circuits suitable for a particular application can be manufactured.
【0067】 制御信号(71)は、インターフェースブロック(70)の回路D1、D2に
作用して、NMOS構造の高圧トランジスタ(78)(79)を駆動する。回路
D1、D2における相対的遅延時間ならびに最大の電流値と電圧値は、用途に応
じてそれぞれ特別の設計にする。用途によっては、インターフェースブロック(
70)の回路D1、D2を互いに並列にして、単一のインターフェース回路(G
1=G2)として用いることができる。The control signal (71) acts on the circuits D 1 and D 2 of the interface block (70) to drive the NMOS high voltage transistors (78) and (79). The relative delay time and the maximum current value and voltage value in the circuits D1 and D2 are respectively specially designed according to the application. In some applications, the interface block (
70) are connected in parallel with each other to form a single interface circuit (G
1 = G2).
【0068】 この段落では、図19の回路の動作を説明する。制御信号(71)が論理値1
のとき、トランジスタ(78)(79)は導通状態にあり、トランジスタ(80
)は、ゲート(81)の電圧値がほとんどグラウンド電位(74)であるために
オフの状態にある。グラウンド端子(74)への低インピーダンスのOUT経路
(73)が、トランジスタ(79)によって実現される。制御信号(71)が論
理値0のとき、トランジスタ(78)(79)は高インピーダンスとなり、トラ
ンジスタ(80)のゲート(81)は、Vz=HV×R2/(R1+R2)とい
う最低の電圧値になる。するとトランジスタ(80)がこの回路のHV端子(7
2)と出力用OUT端子(73)の間に低インピーダンスの経路を形成する。こ
の状態は、HV×R2/(R1+R2)−VT(80)すなわちVZ−VT(8
0)よりも低い出力電圧OUT(73)のときに相当する。なおこの式でVT(
80)は、トランジスタ(80)のゲートとソースの間の導通閾電圧値である。In this paragraph, the operation of the circuit of FIG. 19 will be described. The control signal (71) has a logical value of 1
At this time, the transistors (78) and (79) are conducting, and the transistor (80)
) Is off because the voltage value of the gate (81) is almost at the ground potential (74). A low impedance OUT path (73) to the ground terminal (74) is realized by the transistor (79). When the control signal (71) has a logical value of 0, the transistors (78) and (79) have a high impedance, and the gate (81) of the transistor (80) has the lowest voltage value of V z = HV × R2 / (R1 + R2). become. Then, the transistor (80) is connected to the HV terminal (7
A low impedance path is formed between 2) and the output OUT terminal (73). This condition, HV × R2 / (R1 + R2) -V T (80) ie V Z -V T (8
0) corresponds to the output voltage OUT (73) lower than 0). Note that V T (
80) is the conduction threshold voltage between the gate and the source of the transistor (80).
【0069】 この段落では、抵抗器R2を除いた構成にした場合の図19の回路の機能を説
明する。図19では参照記号DZで示したツェナーダイオードまたはツェナー回
路のカソードがトランジスタ(80)のゲート(81)とグラウンド端子GND
(74)の間に接続されたとき、このツェナー回路は、上で説明したのと同じよ
うにして動作し、出力電圧OUT(73)の最終値は、VZ−VT(80)に制
限されることになる。この値は、供給電圧(72)の値HVとは独立である(H
VがVZよりも大きい場合)。In this paragraph, the function of the circuit in FIG. 19 when the configuration is such that the resistor R2 is omitted will be described. In FIG. 19, the cathode of the Zener diode or Zener circuit indicated by reference symbol DZ is the gate (81) of the transistor (80) and the ground terminal GND.
When connected between the (74), the Zener circuit limit, operates in the same manner as described above, the final value of the output voltage OUT (73) is a V Z -V T (80) Will be done. This value is independent of the value HV of the supply voltage (72) (H
If V is greater than V Z).
【0070】 抵抗器R2とツェナーダイオードDZが回路から除かれていると、出力電圧O
UT(73)の最終値の最大値は、HV−VT(80)に制限される。したがっ
て上に説明した条件におけるこの最終値は、HVからの供給電圧(72)によっ
て決まることになる。When the resistor R2 and the Zener diode DZ are removed from the circuit, the output voltage O
The maximum value of the final value of UT (73) is limited to HV-V T (80). Therefore, this final value under the conditions described above will depend on the supply voltage (72) from the HV.
【0071】 本明細書で権利を主張している回路のトポロジーは、LDSDのNMOSタイ
プ(図19)またはLDMOSタイプ(図20)の高圧NMOSトランジスタを
用いて製造することができる。LDMOSトランジスタを用いて製造したレベル
シフター回路も、トポロジー中にダイオードDRを含んでいる。図19と図20
に示したトポロジーが両方とも同じように動作するためにはこの素子が含まれる
ことが必要で、その結果、トランジスタ(79)がオフ状態のときに出力端子O
UT(73)の電圧がHVよりも大きな値を取れるようになる。The circuit topology claimed herein can be fabricated using high voltage NMOS transistors of the LDSD NMOS type (FIG. 19) or LDMOS type (FIG. 20). The level shifter circuit manufactured using the LDMOS transistor also includes the diode DR in the topology. FIG. 19 and FIG.
This element must be included for both topologies shown to work the same, so that when the transistor (79) is off, the output terminal O
The voltage of the UT (73) can take a value larger than HV.
【0072】 権利を主張している回路の最終出力電圧OUT(73)は、ハイサイド位置(
図18参照)では、PMOSまたはPNPトランジスタを用いて製造した回路よ
りもわずかに低いが、この回路は、レベルシフター回路を必要とする非常に多く
の用途に使用することができる。上で説明したように、権利を主張しているトポ
ロジーの最大最終出力電圧をプログラムできるということが、図18に示した従
来のトポロジーと比べた場合の利点である。The final output voltage OUT (73) of the claimed circuit is at the high side position (
In FIG. 18), which is slightly lower than a circuit made using PMOS or PNP transistors, this circuit can be used in a great many applications requiring level shifter circuits. As explained above, the ability to program the maximum final output voltage of the claimed topology is an advantage over the conventional topology shown in FIG.
【0073】 図19と図20に示したレベルシフター回路(77)も、図21に示したよう
に連続電圧用レベルシフターとして動作する。例えば、特殊な構成で制御信号入
力の端子(71)が常にGND(74)に接続されている場合、出力値OUTは
、上に説明したように、ツェナー回路内にプログラムされた電圧値、すなわちH
Vに比例した電圧値に制限されることになる。この構成では、回路はHVをもと
にした補助の連続電圧源として動作する。この構成は、電荷ポンプ回路やブート
ストラップ回路における補助の電力源として使うことができる。この点について
は、2.C.1と2.C.2で説明する。The level shifter circuit (77) shown in FIGS. 19 and 20 also operates as a continuous voltage level shifter as shown in FIG. For example, if the control signal input terminal (71) is always connected to GND (74) in a special configuration, the output value OUT will be the voltage value programmed in the Zener circuit, that is, H
The voltage value is limited to a voltage value proportional to V. In this configuration, the circuit operates as an auxiliary continuous voltage source based on HV. This configuration can be used as an auxiliary power source in a charge pump circuit or a bootstrap circuit. Regarding this point, 2. C. 1 and 2. C. This will be described in 2.
【0074】 [2.C 駆動回路] [2.C.1 キャパシタ型電荷ポンプ回路] キャパシタ型電荷ポンプ回路の動作原理を図22と図23に示す。図22aの
基本回路は、少なくとも2つの整流器と、2つのキャパシタと、補助電圧源VA
UXから電力を供給されるLS(レベルシフター)インターフェース回路(77
)とを備えている。LSインターフェース回路(77)への入力信号CLK(8
0)は、クロック(81)から来る。このクロックは、通常は、小さな振幅の矩
形波を発生させる。LSインターフェース回路(77)の出力信号(82)は、
回路のサイズと用いられているNMOS構造の特性によって決まり、その値はV
AUX以下である。キャパシタCTKを、直列に接続した整流ダイオードの両端
(84)と(85)にまたがるように接続することができる。その様子が、点線
で示してある。或いはキャパシタCTKは、出力端子(85)とグラウンド端子
GND(74)の間に接続することもできる。どちらにするかは、用途による。[2. C drive circuit] [2. C. 1 Capacitor Type Charge Pump Circuit] FIGS. 22 and 23 show the operation principle of the capacitor type charge pump circuit. The basic circuit of FIG. 22a comprises at least two rectifiers, two capacitors and an auxiliary voltage source VA.
LS is powered from UX (level shifter) interface circuit (77
). Input signal CLK (8) to the LS interface circuit (77)
0) comes from the clock (81). This clock usually produces a small amplitude rectangular wave. The output signal (82) of the LS interface circuit (77) is
It depends on the size of the circuit and the characteristics of the NMOS structure used, and the value is V
AUX or less. A capacitor CTK can be connected across both ends (84) and (85) of the rectifier diode connected in series. This is indicated by the dotted line. Alternatively, the capacitor CTK can be connected between the output terminal (85) and the ground terminal GND (74). Which one to use depends on the application.
【0075】 図22bは、理想的な素子を用いた場合、すなわちLSインターフェース回路
の飽和電圧がゼロで、理想的な整流器が用いられている場合の回路の応答経過(
縦軸に電圧、横軸に時間)を示している。この場合、ポンプサイクルが何回か終
了すると、CTKの両端の電圧VGは、2VAUXに向かう。このタイプの回路
は、電圧ダブラー回路として知られており、離散回路と集積回路の両方でしばし
ば用いられている。FIG. 22 b shows the response course of the circuit when an ideal element is used, ie when the saturation voltage of the LS interface circuit is zero and an ideal rectifier is used (
The vertical axis indicates voltage, and the horizontal axis indicates time). In this case, when the pump cycle ends several times, the voltage V G of the both ends of the C TK is directed to 2V AUX. This type of circuit is known as a voltage doubler circuit and is often used in both discrete and integrated circuits.
【0076】 電荷ポンプ回路をできるだけ正確に設計するためには、LSインターフェース
回路(77)のNMOSトランジスタ(79)と(80)(図20)のドレイン
−ソース間の電圧値、整流ダイオードにおける電圧の降下、キャパシタの電荷損
失、素子同士を接続する際の損失を考慮する必要がある。通常は、LSインター
フェース回路(77)は、高圧源HVをもとにした補助電圧源VAUX(83)
から電力が供給される。この補助電圧源VAUX(83)は、LSインターフェ
ース回路(77)が出力(82)において信号を変えて、CTKにできるだけ早
く、しかもできるだけ効率的に充電するのに十分な電圧を供給する。In order to design the charge pump circuit as accurately as possible, the voltage value between the drain and source of the NMOS transistors (79) and (80) of the LS interface circuit (77) (FIG. 20) and the voltage of the rectifier diode It is necessary to consider the drop, the charge loss of the capacitor, and the loss when connecting the elements. Normally, the LS interface circuit (77) includes an auxiliary voltage source V AUX (83) based on the high voltage source HV.
Is supplied with power. The auxiliary voltage source V AUX (83) is by changing the signal in the LS interface circuit (77) output (82), as soon as possible C TK, yet provides sufficient voltage to charge as efficiently as possible.
【0077】 図19と図20に示した、高圧デバイスで構成されたLSインターフェース回
路は、図21に示したように、高圧源HVから、またはHVをもとにした補助電
圧源VAUXから直接に電力供給を受けることが可能である。これら回路は、L
Sインターフェース回路(77)からの出力振幅(82)が極めて多様であるた
め、論理CMOSセルを用いて製造した回路と比べて容量が小さい必要がある。
これら回路では、半導体デバイスは、LSインターフェース回路(77)の出力
電圧に電荷ポンプ回路の最終出力電圧VGの特性が反映されるような設計にする
ことができる。As shown in FIG. 21, the LS interface circuit composed of the high-voltage device shown in FIGS. 19 and 20 is directly supplied from the high-voltage source HV or from the auxiliary voltage source V AUX based on the HV. Power supply. These circuits are L
Since the output amplitude (82) from the S interface circuit (77) is extremely diversified, the capacitance needs to be smaller than that of a circuit manufactured using a logic CMOS cell.
In these circuits, the semiconductor device can be designed such properties of the final output voltage V G of the charge pump circuit to the output voltage of the LS interface circuit (77) is reflected.
【0078】 この原理を用いて実現した多段式の回路は、理想的な場合には、最終電圧値V
Gが、段の数に1を加えた値にVAUXを掛けた値になる。この回路は、一般に
電圧マルチプライアーとして知られている。図23は、電圧トリプラー回路を示
している。この回路は、図22aの回路と比べると、1つのレベルシフターLS
(77)とダイオードD3と追加キャパシタCPP2からなる追加段を備えてい
るが、同様に動作する。理想的な素子で製造された回路は、最終電圧値VGが、
3×VAUXとなる。実際の素子を用いると、電圧VGは、上で説明した損失の
ためにこの値よりもわずかに小さくなる。A multi-stage circuit realized using this principle has a final voltage value V
G becomes a value obtained by multiplying the value obtained by adding 1 to the number of stages and V AUX . This circuit is commonly known as a voltage multiplier. FIG. 23 shows a voltage tripler circuit. This circuit, compared to the circuit of FIG.
(77), an additional stage consisting of a diode D3 and an additional capacitor CPP2 , but operates similarly. Circuit fabricated in an ideal device, the final voltage value V G is,
It becomes 3 × V AUX . With an actual device, the voltage V G is slightly smaller than this value for the loss as described above.
【0079】 図22aと図23の回路を用いて電荷ポンプ回路の動作原理を説明した。電荷
ポンプ回路は、フローティング電圧源の構成にすることができる。VAUXとの
接続が切れたダイオードD1のアノードは、フローティング電圧源FPSのマイ
ナス極となり、図22aのダイオードD2のカソードまたは図23のダイオード
D3のカソードは、プラス極となる。キャパシタCTKは、この電力源のマイナ
ス極(84)とプラス極(85)の間、または、プラス極(85)とグラウンド
(74)の間に接続することができる。このタイプの回路(FPS)は、高圧回
路からの供給電圧よりも高い電圧を発生させるためと、ハイサイドまたはローサ
イドの構成にしたNMOSパワートランジスタのゲートに電流を注入するのに使
われる電流源に電力を供給するために、しばしば用いられている。これについて
は、2.C.2で説明する。The operating principle of the charge pump circuit has been described with reference to FIGS. 22A and 23. The charge pump circuit can be configured as a floating voltage source. The anode of the diode D1 disconnected from V AUX becomes the negative pole of the floating voltage source FPS, and the cathode of the diode D2 in FIG. 22A or the cathode of the diode D3 in FIG. 23 becomes a positive pole. A capacitor C TK can be connected between the negative pole (84) and the positive pole (85) or between the positive pole (85) and the ground (74) of the power source. This type of circuit (FPS) is a current source used to generate a voltage higher than the supply voltage from the high voltage circuit and to inject current into the gate of a high side or low side NMOS power transistor. Often used to supply power. About this, 2. C. This will be described in 2.
【0080】 図24、図25、図26には、本明細書で権利を主張しているトポロジーの例
がいくつか示されている。これらトポロジーは、フローティング電圧源として動
作するもので、NMOS構造だけを利用している。すなわち、整流ダイオードと
ツェナーダイオードが2.Aに説明したように構成されている。使われているイ
ンターフェース回路は、2.Bと2Cで説明したものである。キャパシタは、集
積化してもしなくてもよい。基本的に、これら回路は、LDSDまたはLDMO
S NMOSトランジスタを含むNMOS構造で構成されたレベルシフター回路
を利用している。基本構造は図27に示したものであり、そこから、この明細書
で主張している電荷ポンプ回路のトポロジーが容易に得られる。FIGS. 24, 25 and 26 show some examples of topologies claimed herein. These topologies operate as floating voltage sources and utilize only NMOS structures. In other words, the rectifier diode and the zener diode are used for 2. A is configured as described above. The interface circuits used are: B and 2C. The capacitors may or may not be integrated. Basically, these circuits are LDSD or LDMO
A level shifter circuit having an NMOS structure including an S NMOS transistor is used. The basic structure is shown in FIG. 27, from which the topology of the charge pump circuit claimed in this specification can easily be obtained.
【0081】 [2.C.2 キャパシタ型ブートストラップ回路] 図28aは、文献に記載されたキャパシタ型ブートストラップ回路の典型的な
電気回路レイアウトを示している。この回路は、典型的には、キャパシタCBo
ot(93)と、インターフェース回路BH(91)およびBL(99)(BH
とBLは、それぞれバッファハイサイドとバッファローサイド)と、抵抗器RB
oot(92)と、制御用トランジスタMC(98)と、2つのパワートランジ
スタML(89)およびMH(88)とからなる。この回路の動作はキャパシタ
CBoot(93)に蓄積された電荷に基づいて決まり、十分な電圧がその両端
子間に維持されるようにしている。したがって、インターフェース回路BH(9
1)に対してフローティング状態での電力供給がなされ、このインターフェース
回路BHがNMOSパワートランジスタMH(88)の駆動回路として機能し、
このトランジスタのオン状態を制御する。トランジスタMC(98)のドレイン
と抵抗器RBoot(92)の一方の端子は、インターフェース回路BH(91
)の入力に接続されて、レベルシフターを構成している。キャパシタCBoot
(93)により形成されるフローティング電圧源のマイナス端子は、トランジス
タMH(88)のソース電極(90)に接続されている。供給電圧VAUX(9
5)は、通常はこの論理回路への供給電圧よりも高いが、一対のパワートランジ
スタMH(88)とML(89)の出力レベルを決めている高圧電源HV(10
1)の電圧よりも低くすることができる。VAUX(95)は、2.Bで説明し
たように、高圧電源に基づいて発生させることができる。その値は、パワートラ
ンジスタMH(88)が完全導通状態になるよう、VGS(MH)(102)に
印加される電圧値に合った値になっていなくてはならない。[2. C. 2 Capacitor Bootstrap Circuit] FIG. 28a shows a typical capacitor bootstrap circuit described in the literature.
4 shows an electric circuit layout. This circuit typically comprises a capacitor CBo
ot(93) and interface circuits BH (91) and BL (99) (BH
And BL are respectively the buffer high side and the buffer low side) and the resistor RB
oot(92), a control transistor MC (98), and two power transistors
The star ML (89) and the MH (88). The operation of this circuit is a capacitor
CBoot(93) is determined based on the electric charge accumulated, and a sufficient voltage
They are kept between children. Therefore, the interface circuit BH (9
Power is supplied in a floating state to 1), and this interface
The circuit BH functions as a drive circuit for the NMOS power transistor MH (88),
The on state of this transistor is controlled. The drain of the transistor MC (98)
And resistor RBootOne terminal of (92) is connected to the interface circuit BH (91
) Is connected to the input to form a level shifter. Capacitor CBoot
The negative terminal of the floating voltage source formed by (93)
MH (88) is connected to the source electrode (90). Supply voltage VAUX(9
5) is usually higher than the supply voltage to this logic circuit, but a pair of power transistors
The high voltage power supply HV (10) that determines the output level of the star MH (88) and ML (89)
It can be lower than the voltage of 1). VAUX(95) Explained in B
As described above, it can be generated based on a high voltage power supply. The value is
V so that the transistor MH (88) becomes fully conductive.GS(MH) to (102)
It must be appropriate for the voltage applied.
【0082】 キャパシタ型ブートストラップ回路は、一般に、動作周波数が決められていて
制御信号Ctrl(97)が周期的であるような用途で利用される。この回路の
機能を説明するために、図28bの制御信号Ctrl(97)の周期を3つのフ
ェーズにはっきりと分けて考える。以下、この回路の状態をそれぞれのフェーズ
について説明する。The capacitor-type bootstrap circuit is generally used in applications where the operating frequency is determined and the control signal C trl (97) is periodic. To explain the function of this circuit, consider the cycle of the control signal C trl (97) in FIG. 28b, clearly divided into three phases. Hereinafter, the state of this circuit will be described for each phase.
【0083】 [フェーズ1:キャパシタCBootの充電] このフェーズでは、制御信号Ctrl(97)がハイレベルにあり、パワート
ランジスタMC(98)とML(89)の導通を保証している。このフェーズに
おいて、キャパシタCBoot(93)は、ダイオードD1(94)を通じてほ
ぼVAUX(95)の電圧値まで充電される。パワートランジスタMC(98)
が導通している間、インターフェース回路BH(91)はハイサイドトランジス
タMH(88)をカットオフ状態に維持し、トランジスタML(89)がグラウ
ンド(100)への低インピーダンス経路Vout(90)を形成する。したが
ってキャパシタCBoot(93)が充電される。[Phase 1: Charging of Capacitor C Boot ] In this phase, the control signal C trl (97) is at the high level, and the conduction of the power transistors MC (98) and ML (89) is guaranteed. In this phase, the capacitor C Boot (93) is charged to approximately the voltage value of V AUX (95) through the diode D1 (94). Power transistor MC (98)
While the is conducting, the interface circuit BH (91) keeps the high-side transistor MH (88) cut off and the transistor ML (89) cuts the low impedance path V out (90) to ground (100). Form. Therefore, the capacitor C Boot (93) is charged.
【0084】 [フェーズ2:ブートストラップ動作の開始] このフェーズは、制御信号Ctrl(97)によって状態が変化することを特
徴とする。つまり制御信号Ctrl(97)が、論理値1から0に変わる。この
段階で、トランジスタML(89)とMC(98)がカットオフ状態になり、イ
ンターフェース回路BH(91)の入力信号はキャパシタCBoot(93)の
プラス端子の電位にとどまる。したがって、BHインターフェース(91)の出
力信号(102)がこの電圧となり、MHトランジスタ(88)が導通状態にな
る。電圧Vout(90)は負荷の中を流れる電流とともに大きくなり、最終値
HD−VDS(MH)に達する。キャパシタCBoot(93)の両端子間の電
圧は、トランジスタMH(88)が導通している間を通じてほぼ一定に保たれる
。トランジスタMH(88)のゲートの電圧値VG(102)は、ほぼHV−V
Ds(MH)−VAUXに達する。この期間の間にダイオードD1(94)は極
性が逆転し、電源VAUX(95)と絶縁する。[Phase 2: Start of Bootstrap Operation] This phase is characterized in that the state is changed by the control signal C trl (97). That is, the control signal C trl (97) changes from the logical value 1 to 0. At this stage, the transistors ML (89) and MC (98) are cut off, and the input signal of the interface circuit BH (91) remains at the potential of the plus terminal of the capacitor C Boot (93). Therefore, the output signal (102) of the BH interface (91) becomes this voltage, and the MH transistor (88) becomes conductive. The voltage V out (90) increases with the current flowing in the load and reaches the final value HD-V DS (MH). The voltage across the terminals of the capacitor C Boot (93) is kept substantially constant while the transistor MH (88) is conducting. The voltage value V G (102) of the gate of the transistor MH (88) is substantially equal to HV−V
Ds (MH) -V AUX is reached. During this period, the polarity of the diode D1 (94) is reversed and the diode D1 (94) is insulated from the power supply V AUX (95).
【0085】 [フェーズ3:トランジスタMHの自由導通状態] このフェーズで、トランジスタMH(88)は自由な導通を開始する。トラン
ジスタMH(88)が導通状態にある間、キャパシタCBoot(93)は放電
されて、トランジスタMH(88)の駆動回路(91)に電流を供給する。この
フェーズが持続する時間の最大値は、キャパシタCBoot(93)がインター
フェース回路BH(91)に十分な電圧を供給し続けていて、そのことによって
今度はそのインターフェース回路BH(91)がトランジスタMH(88)のゲ
ートにおける電圧を維持し、その結果、トランジスタMH(88)が導電状態を
持続していられる時間がどれくらいであるかによって決まる。キャパシタCBo
ot(93)の放電は、電荷がトランジスタMH(88)のゲートに移動するこ
とと、寄生素子によって起こる損失とに起因することに注意されたい。通常は、
キャパシタCBoot(93)の大きさは、動作サイクルの間、このキャパシタ
の電圧がほんの10%だけ小さくなるよう設計される。[Phase 3: Free Conduction State of Transistor MH] In this phase, the transistor MH (88) starts free conduction. While the transistor MH (88) is conducting, the capacitor C Boot (93) is discharged to supply current to the drive circuit (91) of the transistor MH (88). The maximum amount of time that this phase lasts is that the capacitor C Boot (93) continues to supply sufficient voltage to the interface circuit BH (91), which in turn causes the interface circuit BH (91) to turn on the transistor MH. The voltage at the gate of (88) is maintained, so that it depends on how long transistor MH (88) can remain conductive. Capacitor C Bo
Note that the discharge of ot (93) is due to the transfer of charge to the gate of transistor MH (88) and losses caused by parasitic elements. Normally,
The size of the capacitor C Boot (93) is designed so that the voltage on this capacitor is reduced by only 10% during an operating cycle.
【0086】 図28aに示した回路は、動作周波数がはっきりと決まっている用途に適して
いる。というのも、回路ごとにキャパシタCBoot(93)の適切な容量と動
作周波数を決める必要があるからである。この技術は、単純であり、少数の高圧
素子しか使わないのにトランジスタMH(88)に高周波数で整流機能を行なわ
せることができるという利点を有する。しかし、トランジスタML(89)とM
H(88)の両方が同時に導通するという望ましからぬ状況が起こりうるので、
少数の用途に限られる。これに基づいて、より洗練された制御を行なうようにし
た回路は、同時導通を避けることができるため、ハイサイドのフルブリッジとハ
ーフブリッジの構成に含まれるトランジスタに整流を行なわせるのに非常によく
使われる[13]。The circuit shown in FIG. 28a is suitable for applications where the operating frequency is well-defined. This is because it is necessary to determine an appropriate capacity and operating frequency of the capacitor C Boot (93) for each circuit. This technique has the advantage that it is simple and allows the transistor MH (88) to perform a rectifying function at a high frequency while using only a small number of high voltage elements. However, transistors ML (89) and M
Since an undesirable situation can occur in which both H (88) conduct simultaneously,
Limited to a few applications. Based on this, a circuit with more sophisticated control can avoid simultaneous conduction, so it is very necessary to make the transistors included in the high side full bridge and half bridge configuration rectify. Often used [13].
【0087】 図29は、本明細書で新規性があると主張している図28の回路とは異なった
トポロジーを示している。このトポロジーでは、NMOSトランジスタだけが使
われている。2.Bで説明したNMOSレベルシフターブロック(77)は、図
28aのインターフェースBH(91)に必要とされる機能を提供する。図28
aと図29に示したブートストラップ回路の制御回路(96)は、プログラムす
ることにより、トランジスタML(89)を駆動させてから適度に遅れてトラン
ジスタMH(88)が駆動するようにできるため、両者が同時に導通するのを避
けることができる。ダイオードD1(94)は、2.Aで説明したようにして製
造するか、または、ダイオードがあるプロセスで高圧に耐えられるPN接合を用
いて製造することができる。FIG. 29 shows a different topology than the circuit of FIG. 28, which is claimed herein to be novel. In this topology, only NMOS transistors are used. 2. The NMOS level shifter block (77) described in B provides the functions required for the interface BH (91) in FIG. 28a. FIG.
29A and the control circuit (96) of the bootstrap circuit shown in FIG. 29 can be programmed to drive the transistor ML (89) and then to drive the transistor MH (88) with an appropriate delay. Both can be prevented from conducting simultaneously. The diode D1 (94) has two components: It can be manufactured as described in A, or using a PN junction that can withstand high voltages in some process.
【0088】 図30aは、NMOSパワートランジスタMH(88)の導通を制御するため
のキャパシタ型ブートストラップ回路を製造するための別のトポロジーを示して
いる。この回路を構成するには、キャパシタCBoot(93)と、抵抗器RB
oot(92)と、2つのレベルシフターインターフェースLS1(77A)お
よびLS2(77B)とが必要とされる。レベルシフターとしては、例えば上の
2.Bで説明したレベルシフター(77)が用いられる。この用途には、インタ
ーフェースLS1(77A)をプログラムして最終電圧VAUX(95)に達す
るようにする。これは、トランジスタMH(88)を完全に導通させるためにV
GS(MH)に印加すべき電圧値である。インターフェースLS2(77B)は
、出力電圧が、トランジスタMH(88)のドレインと、インターフェースLS
1(77A)およびLS2(77B)の両方に電圧を供給しているHV(72)
(図28aの101)にできるだけ近い値に到達するようにプログラムする。図
30bは、トランジスタMH(88)のオンとオフの1サイクルについて、制御
信号Ctrl(71)と、出力電圧Vout(90)と、トランジスタMH(8
8)のゲート電圧(73)(図28aの102)の時間変化を示すグラフである
。細かく検討するために、このサイクルを先程と同様に3つのフェーズに分割し
た。FIG. 30 a shows another topology for manufacturing a capacitor-type bootstrap circuit for controlling the conduction of the NMOS power transistor MH (88). To configure this circuit includes a capacitor C Boot (93), a resistor R B
out (92) and two level shifter interfaces LS1 (77A) and LS2 (77B) are required. As the level shifter, for example, 2. The level shifter (77) described in B is used. For this application, interface LS1 (77A) is programmed to reach a final voltage V AUX (95). This is due to the fact that transistor MH (88) is fully conducting
This is a voltage value to be applied to GS (MH). The interface LS2 (77B) has an output voltage between the drain of the transistor MH (88) and the interface LS.
HV (72) supplying voltage to both 1 (77A) and LS2 (77B)
Program to reach a value as close as possible to (101 in FIG. 28a). FIG. 30B shows the control signal C trl (71), the output voltage V out (90), and the transistor MH (8) for one cycle of turning on and off the transistor MH (88).
It is a graph which shows the time change of the gate voltage (73) (102 of FIG. 28a) of 8). For further consideration, the cycle was divided into three phases as before.
【0089】 フェーズ1では、トランジスタMH(88)がオフ状態にある。インターフェ
ースLS1(77A)とLS2(77B)に入力される信号A(71A)と信号
A’(71A’)は、同時に1のレベルにあり、出力は、低いグラウンド電位(
74)(図28aの100)となっている。トランジスタMH(88)のゲート
(73)とソース(90)間の電圧VGS(MH)はほとんどゼロであり、負荷
ZLoad(104)の中をほとんど電流が流れていない。In phase 1, the transistor MH (88) is off. The signals A (71A) and A '(71A') input to the interfaces LS1 (77A) and LS2 (77B) are at the same time at 1 level, and the output is low ground potential (
74) (100 in FIG. 28a). The voltage V GS (MH) between the gate (73) and the source (90) of the transistor MH (88) is almost zero, and almost no current flows in the load Z Load (104).
【0090】 フェーズ2には、異なる2つの段階がある。第1段階は、キャパシタCBoo
t(93)への充電に対応する。これは、制御信号A(71)が論理値1から論
理値0に変化した直後に起こる。この段階では、2.Bで説明したように、イン
ターフェースLS1(77A)の出力が、キャパシタCBoot(93)をイン
ターフェースLS1(VAUX)にプログラムされた電位まで充電するためのエ
ネルギーを供給する。それと同時に、トランジスタMH(88)のゲートとソー
ス間のキャパシタ効果と等価なキャパシタも、インターフェースLS1(77A
)の出力によって充電される。信号A’(71A’)は、インターフェースLS
1(77A)とLS2(77B)を通じてキャパシタCBoot(93)を充電
するとともに、このレイアウトの場合に決められている電圧値に達するのに十分
な時間Δtにわたって論理値1にとどまるため、トランジスタMH(88)が導
通するようになる。時間Δtが過ぎると、信号A’が論理値1から論理値0に変
化し、このフェーズの第2段階が始まる。この第2段階は、電圧VG(102)
で特徴づけられる。ここでキャパシタCBoot(93)のマイナス端子は、抵
抗器RBoot(92)を通じてトランジスタMH(88)のソースの電位にさ
れる。したがって、電圧VGS(MH)はキャパシタCBoot(93)の電圧
とほとんど等しくなり、高圧源HV(72)がトランジスタMH(88)を通じ
て負荷ZLoad(104)に最大電流を供給する。Phase 2 has two different phases. The first stage is the capacitor C Boo
This corresponds to charging to t (93). This occurs immediately after the control signal A (71) changes from the logical value 1 to the logical value 0. At this stage, 2. As described in B, the output of interface LS1 (77A) provides the energy to charge capacitor C Boot (93) to the potential programmed into interface LS1 (V AUX ). At the same time, a capacitor equivalent to the capacitor effect between the gate and the source of the transistor MH (88) is connected to the interface LS1 (77A).
) Output. The signal A ′ (71A ′) is output to the interface LS
1 (77A) and LS2 (77B) to charge the capacitor C Boot (93) and remain at logic 1 for a time Δt sufficient to reach the voltage value determined for this layout, so that the transistor MH (88) becomes conductive. After the time Δt, the signal A ′ changes from the logical value 1 to the logical value 0, and the second phase of this phase starts. This second stage involves the voltage V G (102)
It is characterized by Here, the negative terminal of the capacitor C Boot (93) is set to the potential of the source of the transistor MH (88) through the resistor R Boot (92). Therefore, the voltage V GS (MH) is almost equal to the voltage of the capacitor C Boot (93), and the high voltage source HV (72) supplies the maximum current to the load Z Load (104) through the transistor MH (88).
【0091】 この回路の動作のフェーズ3は、図30bに示したように、電圧VG(73)
がほぼHV+VAUXという最終値に到達した後に信号Aと信号A’が論理値0
にとどまることを特徴とする。このフェーズは、信号Aと信号A’が同時に論理
値0から論理値1に変化するまで続き、その結果としてキャパシタCBoot(
93)が放電され、トランジスタMH(88)がカットオフされる。これが、新
しいサイクルの初期状態を特徴づける。使用しているレベルシフターLS1(7
7A)とLS2(77B)の出力レベルは、これらインターフェースへの供給電
圧HV(72)よりも大きな値の出力電圧が可能なNMOSトランジスタを用い
ることで達成されることに注意されたい。Phase 3 of the operation of this circuit involves, as shown in FIG. 30b, the voltage V G (73)
Signal A and the signal A ′ become logical 0 after the signal reaches almost the final value of HV + V AUX.
It is characterized by staying in. This phase continues until signal A and signal A ′ simultaneously change from logic 0 to logic 1 and consequently capacitor C Boot (
93) is discharged, and the transistor MH (88) is cut off. This characterizes the initial state of the new cycle. The level shifter LS1 (7
Note that the output levels of 7A) and LS2 (77B) are achieved by using NMOS transistors capable of output voltages greater than the supply voltage HV (72) to these interfaces.
【0092】 図29の回路におけるように、トランジスタML(89)を図30aの回路に
追加することができる。その場合このトランジスタML(89)は、ローサイド
構成でトランジスタMH(88)のソース(90)とグラウンドGND(74)
の間に接続し、制御回路で直接制御する。As in the circuit of FIG. 29, a transistor ML (89) can be added to the circuit of FIG. 30a. In this case, the transistor ML (89) has a low-side configuration and the source (90) of the transistor MH (88) and the ground GND (74).
And control directly by the control circuit.
【0093】 [2.D フローティング電流源] 外部負荷に対して電力を供給するパワートランジスタの等価な入力キャパシタ
CGSの充電と放電を制御するのに、電流源がしばしば用いられる。トランジス
タを導通させたりカットオフ状態にしたりするにはキャパシタCGSに電荷を注
入したりそのキャパシタから電荷を放出させたりして制御するわけだが、その制
御を行なう手段として電流源を利用した回路を使うと、供給される電荷のタイプ
に合わせて最適化したアルゴリズムを用いて制御とスイッチングを行なうことが
できる。集積化したスマートパワーデバイスを製造する技術によって高圧NMO
Sトランジスタや高圧PMOSトランジスタが製造されるわけだが、その技術に
よって製造される高圧PMOSトランジスタが存在しているために、ハイサイド
トランジスタに電流を供給する電流源の製造が容易になる。[2. D Floating Current Source] A current source is often used to control charging and discharging of an equivalent input capacitor CGS of a power transistor that supplies power to an external load. It not control it or to release the charge from the capacitor or injecting charge into the capacitor C GS to or to cut off or to conduct the transistors, but the circuit using a current source as a means for its control When used, control and switching can be performed using algorithms optimized for the type of charge supplied. High-voltage NMO by technology for manufacturing integrated smart power devices
Although an S transistor and a high-voltage PMOS transistor are manufactured, the presence of the high-voltage PMOS transistor manufactured by the technique makes it easy to manufacture a current source that supplies a current to the high-side transistor.
【0094】 図31は、ハイサイドトポロジーのパワーデバイス(High−Side t
opology power device:88)に電流を注入してこのデバ
イスを導通状態にするのにフローティング電流源(106)を利用した典型的な
回路の一例を示している。別の電流源が、グラウンドに接続されている。この電
流源は、出力レベルがトランジスタM4(108)によって決まっており、トラ
ンジスタMH(88)のゲートから放電させてこのトランジスタMH(88)を
カットオフ状態にするのに使われる。FIG. 31 shows a power device (High-Side t) of a high-side topology.
1 shows an example of a typical circuit that utilizes a floating current source (106) to inject current into an opposition power device (88) to render the device conductive. Another current source is connected to ground. The output level of this current source is determined by the transistor M4 (108), and is used to discharge the gate of the transistor MH (88) to cut off the transistor MH (88).
【0095】 MOS技術で製造される電流源は、基本的に、トランジスタに印加される電圧
VGSを制御することを目的としている。このトランジスタが飽和領域で動作し
ているときには、そのトランジスタのドレイン電流は、ほとんど完全にVGSに
依存することになる。一般に、参照電流源は、GND端子(100)に接続され
た低圧トランジスタを用いて構成されたアナログ回路で作られる。(109)に
発生する電流は、高圧で作動するN型(108と110)およびP型(111と
112)のMOSトランジスタとNPNバイポーラトランジスタ(113)を用
いて構成された回路によって正確にコピーされる。図31に示した回路では、2
.Cで説明したように、ブートストラップ回路のキャパシタCBootが、電流
源(106)に電力を供給するフローティング電圧源FPSとして使われている
。別のオプションは、すでに2.C.1に示したキャパシタ型電荷ポンプを用い
ることであろう。A current source manufactured in MOS technology is basically intended to control a voltage V GS applied to a transistor. When the transistor is operating in the saturation region, the drain current of the transistor will be almost completely dependent on VGS . Generally, the reference current source is formed by an analog circuit configured using a low-voltage transistor connected to the GND terminal (100). The current generated in (109) is accurately copied by a circuit composed of N-type (108 and 110) and P-type (111 and 112) MOS transistors and NPN bipolar transistors (113) operating at high voltage. You. In the circuit shown in FIG.
. As described in C, the capacitor C Boot of the bootstrap circuit is used as a floating voltage source FPS that supplies power to the current source (106). Another option is already 2. C. One would use the capacitor type charge pump shown in FIG.
【0096】 本出願は、NMOS構造だけを使って構成したハイサイドのトランジスタとロ
ーサイドのトランジスタの両方において、電流を注入したり放出したりする機能
を持った電流源のトポロジーを主張している。可能な様々なトポロジーの中で、
図32は、ハイサイド構成でNMOSトランジスタMH(88)のゲートに電流
を注入することによって電流源回路として動作させるためのトポロジーを示して
いる。The present application claims a topology of a current source having a function of injecting and discharging a current in both a high-side transistor and a low-side transistor configured using only the NMOS structure. Among the various topologies possible,
FIG. 32 shows a topology for operating as a current source circuit by injecting a current into the gate of the NMOS transistor MH (88) in a high-side configuration.
【0097】 2.Aですでに説明したように、NMOS構造を用いてフローティングツェナ
ーダイオードの動作をエミュレートする回路を製造することが可能である。この
回路のツェナー電圧の値は、低圧で機能する制御回路を用いてダイナミックにプ
ログラムすることができる。また、2.Bですでに説明したように、NMOS構
造だけを用いてフローティング電流源を製造することもできる。[0097] 2. As already described in A, it is possible to fabricate a circuit that emulates the operation of a floating Zener diode using an NMOS structure. The value of the zener voltage of this circuit can be dynamically programmed using a low voltage control circuit. Also, 2. As already described in B, the floating current source can be manufactured using only the NMOS structure.
【0098】 図32では、一群の素子が、NMOS構造に基づいてフローティング電流源(
121)を形成している。この電流源(121)の出力はMH(88)のゲート
(102)に接続されており、電流を注入してトランジスタMH(88)を導通
状態にするのに用いられる。グラウンド(100)に接続された回路(122)
が電流源を構成している。この電流源の目的は、電流をトランジスタMH(88
)のゲート(102)から放出してこのトランジスタをカットオフ状態にするこ
とである。In FIG. 32, a group of elements is a floating current source (
121). The output of this current source (121) is connected to the gate (102) of the MH (88) and is used to inject current and make the transistor MH (88) conductive. Circuit (122) connected to ground (100)
Constitute a current source. The purpose of this current source is to pass the current through the transistor MH (88
) To make this transistor cut off.
【0099】 フローティング電流源(121)は、基本的に、DZP(115)で表わされ
るツェナー回路と、MI(117)で表わされる高圧トランジスタと、抵抗器R
I(116)とからなる。これら素子は、FPSで表わされるフローティング電
圧源(118)から電力を供給される。この電力源のマイナス端子は、高圧源H
V(101)に接続されている。電力源FPS(118)は、振幅が10ボルト
ほどである。素子DZP(115)は、制御回路がGND端子(100)に接続
されたプログラム可能なツェナー回路を表わしている。このツェナー回路の機能
は、電圧VGS(MI)を所定のプログラム値に維持し、用途に応じて決められ
るアルゴリズムに従って、トランジスタMH(88)のゲート(102)に注入
される電流を制御することである。ツェナー回路(115)に対して作用する制
御回路が高圧トランジスタMI(117)に流入する電流値を決めていることを
強調しておくのは重要なことである。特に、ツェナー回路DZP(115)に電
圧を発生させて、高圧トランジスタMI(117)に電流が流入しないようにす
ることが可能である。抵抗器RI(116)は、典型的には大きな値の抵抗であ
り、その機能は、ツェナー回路DZP(115)の極性を変化させてフローティ
ング電流源(121)を電圧の和HV+V(FPS)に基づいた電位にすること
である。The floating current source (121) basically includes a Zener circuit represented by DZP (115), a high-voltage transistor represented by MI (117), and a resistor R
I (116). These elements are powered by a floating voltage source (118) represented by FPS. The negative terminal of this power source is
V (101). The power source FPS (118) has an amplitude on the order of 10 volts. Element DZP (115) represents a programmable zener circuit with a control circuit connected to GND terminal (100). The function of this Zener circuit is to maintain the voltage V GS (MI) at a predetermined program value and control the current injected into the gate (102) of the transistor MH (88) according to an algorithm determined according to the application. It is. It is important to emphasize that the control circuit acting on the Zener circuit (115) determines the value of the current flowing into the high voltage transistor MI (117). In particular, it is possible to generate a voltage in the Zener circuit DZP (115) so that no current flows into the high voltage transistor MI (117). The resistor RI (116) is typically a large value resistor whose function is to change the polarity of the Zener circuit DZP (115) to change the floating current source (121) to the sum of the voltages HV + V (FPS). That is, the potential is set based on the potential.
【0100】 トランジスタMH(88)のゲート(102)に電流を注入している間、トラ
ンジスタMI(117)は、電流源として動作する。またその間はブロック(1
22)のスイッチCH1(119)が開いており、トランジスタM5(120)
はトランジスタMH(88)のゲートに対して何らの影響力を持たない。トラン
ジスタMH(88)のゲート(102)から放電されている間、ツェナー回路D
ZP(115)の電圧値が変化して、トランジスタMH(88)を流れる電流は
、少なくなるか、またはゼロになる。グラウンドに接続された電流源(122)
は、トランジスタMH(88)がカットオフ状態のときに作動する。スイッチC
H1(119)はオフになり、トランジスタM5(120)がトランジスタMH
(88)のゲート(102)から放電を始めさせる。そのため、望み通りにこの
MH(88)がカットオフ状態になる。While current is injected into the gate (102) of the transistor MH (88), the transistor MI (117) operates as a current source. In the meantime, block (1
22) The switch CH1 (119) is open and the transistor M5 (120)
Has no influence on the gate of the transistor MH (88). While discharging from the gate (102) of the transistor MH (88), the Zener circuit D
As the voltage value of ZP (115) changes, the current flowing through transistor MH (88) decreases or goes to zero. Current source connected to ground (122)
Operates when the transistor MH (88) is in a cut-off state. Switch C
H1 (119) is turned off, and transistor M5 (120) is turned off by transistor MH.
Discharge is started from the gate (102) of (88). Therefore, the MH (88) is cut off as desired.
【図1】 パワーデバイスのトポロジーを実現するための一般的なスイッチングセルを示
す図である。FIG. 1 is a diagram showing a general switching cell for realizing a power device topology.
【図2】 パワーデバイスのトポロジーを実現するための一般的なスイッチングセルを示
す図である。FIG. 2 is a diagram showing a general switching cell for realizing a power device topology.
【図3】 パワーデバイスのトポロジーを実現するための一般的なスイッチングセルを示
す図である。FIG. 3 is a diagram showing a general switching cell for realizing a power device topology.
【図4】 パワーデバイスのトポロジーを実現するための一般的なスイッチングセルを示
す図である。FIG. 4 is a diagram showing a general switching cell for realizing a power device topology.
【図5】 スイッチング構造の一般的なマトリックス配置を示し、特に、NMOS構造お
よびアレイの空間的レイアウト、制御信号相互接続チャネルと電力相互接続チャ
ネルの位置、並びに、パッドの位置を示す図である。FIG. 5 shows the general matrix arrangement of the switching structure, in particular the spatial layout of the NMOS structure and the array, the location of the control signal and power interconnect channels, and the location of the pads.
【図6】 マトリックスの詳細を示し、特に、アレイの接続用パッドに注目して、パッド
の近くにあるNMOS構造を覆う金属2のトラックを示す図である。FIG. 6 shows the details of the matrix, and in particular the metal 2 tracks covering the NMOS structures near the pads, focusing on the connection pads of the array.
【図7a】 制御信号相互接続チャネルを示し、ビア(金属1/金属2の接続)と金属トラ
ックとポリシリコン抵抗器のネットワークを示す図である。FIG. 7a shows a control signal interconnect channel and shows a network of vias (metal1 / metal2 connections), metal tracks and polysilicon resistors.
【図7b】 図7aにおけるA−A’に沿って切断した断面図である。7B is a cross-sectional view taken along the line A-A 'in FIG. 7A.
【図8】 LDSDトランジスタが並置された、基本的なNMOS構造の一例を示す図で
ある。FIG. 8 is a diagram showing an example of a basic NMOS structure in which LDSD transistors are juxtaposed.
【図9】 GSLDD/GSLDSDのNMOSトランジスタに基づく本発明で提案して
いる最適化された基本セルの一例を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of an optimized basic cell proposed in the present invention based on a GSLDD / GSLDSD NMOS transistor.
【図10a】 整流ダイオード、および、その電流特性曲線I(V)を示す図である。FIG. 10a is a diagram showing a rectifier diode and its current characteristic curve I (V).
【図10b】 ツェナーダイオード、および、その電流特性曲線I(V)を示す図である。FIG. 10b is a diagram showing a Zener diode and its current characteristic curve I (V).
【図10c】 ツェナーダイオードと直列に接続された整流ダイオード、および、その電流特
性曲線I(V)を示す図である。FIG. 10c is a diagram showing a rectifier diode connected in series with a zener diode, and a current characteristic curve I (V) thereof.
【図11】 ツェナーダイオードと整流ダイオードをエミュレートする制御回路であって、
複数の回路が集積化された制御回路の一例を示す図である。FIG. 11 is a control circuit for emulating a Zener diode and a rectifier diode,
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a control circuit in which a plurality of circuits are integrated.
【図12】 図10bのフローティングツェナー回路の動作をエミュレートするNMOS構
造であって、LDSDのNMOSトランジスタに基づいて再構成したNMOS構
造の一例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an example of an NMOS structure emulating the operation of the floating zener circuit of FIG. 10B, which is reconfigured based on an NMOS transistor of LDSD.
【図13】 図10bのフローティングツェナー回路の動作をエミュレートするNMOS構
造であって、LDMOSトランジスタに基づいて再構成したNMOS構造の一例
を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of an NMOS structure emulating the operation of the floating zener circuit of FIG. 10b, which is reconfigured based on an LDMOS transistor.
【図14】 図10cの直列接続された整流ダイオードとツェナーダイオードの動作をエミ
ュレートするNMOS構造であって、LDSDのNMOSトランジスタに基づい
て再構成したNMOS構造の一例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an NMOS structure emulating the operation of the series-connected rectifier diode and zener diode of FIG. 10c, which is reconfigured based on an NMOS transistor of LDSD.
【図15】 図10cの直列接続された整流ダイオードとツェナーダイオードの動作をエミ
ュレートするNMOS構造であって、LDMOSトランジスタに基づいて再構成
したNMOS構造の一例を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing an example of an NMOS structure emulating the operation of the series-connected rectifier diode and zener diode of FIG. 10c, which is reconfigured based on an LDMOS transistor.
【図16】 図10aの整流ダイオードの動作をエミュレートするNMOS構造であって、
LDSDのNMOSトランジスタに基づいて再構成したNMOS構造の一例を示
す図である。FIG. 16 is an NMOS structure emulating the operation of the rectifier diode of FIG. 10a,
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an NMOS structure reconfigured based on an LDSD NMOS transistor.
【図17】 図10aの整流ダイオードの動作をエミュレートするNMOS構造であって、
LDMOSトランジスタに基づいて再構成したNMOS構造の一例を示す図であ
る。FIG. 17 is an NMOS structure emulating the operation of the rectifier diode of FIG. 10a,
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an NMOS structure reconfigured based on an LDMOS transistor.
【図18】 PMOS(または、PNPバイポーラタイプ)でハイサイドの高圧トランジス
タが使われている回路であって、文献に開示されている古典的なレベルシフター
回路の一例を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing an example of a classic level shifter circuit disclosed in the literature, which is a circuit using a high-side high-voltage transistor in a PMOS (or PNP bipolar type).
【図19】 高圧PMOS(または、PNPバイポーラトランジスタ)をハイサイド位置で
使わないトポロジーとなっている回路であって、LDSDのNMOSトランジス
タだけを使ったレベルシフター回路の一例を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing an example of a level shifter circuit which is a circuit having a topology in which a high-voltage PMOS (or PNP bipolar transistor) is not used at a high side position and uses only NMOS transistors of LDSD.
【図20】 図19と比較する場合には、ダイオードDRが付け加えられていることに注意
されたいが、LDMOSトランジスタだけを使ったレベルシフター回路の一例を
示す図である。FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a level shifter circuit using only LDMOS transistors, although a diode DR is added in comparison with FIG. 19;
【図21】 この構成では、HVから電圧を供給される補助的連続電圧源として動作するが
、連続的電圧レベルシフターとして機能するレベルシフター回路の一例を示す図
である。FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a level shifter circuit that operates as an auxiliary continuous voltage source supplied with a voltage from the HV and functions as a continuous voltage level shifter in this configuration.
【図22a】 電圧ダブラーとして機能する典型的なキャパシタ型電荷ポンプの一例を示す図
である。FIG. 22a illustrates an example of a typical capacitor-type charge pump that functions as a voltage doubler.
【図22b】 図22aにおけるキャパシタCTKにおける電圧変化を示す図である。It is a diagram illustrating a voltage change at the capacitor C TK in Figure 22b Figure 22a.
【図23】 電圧トリプラーとして機能する典型的なキャパシタ型電荷ポンプの一例を示す
図である。FIG. 23 illustrates an example of a typical capacitor charge pump that functions as a voltage tripler.
【図24】 NMOS構造を用いて実現することが可能な電圧ダブラーとして機能する電荷
ポンプの一例を示す図である。FIG. 24 illustrates an example of a charge pump that functions as a voltage doubler that can be realized using an NMOS structure.
【図25】 NMOS構造を用いて実現することが可能な電圧トリプラーとして機能する典
型的なキャパシタ型電荷ポンプの一例を示す図である。FIG. 25 illustrates an example of a typical capacitor-type charge pump that functions as a voltage tripler that can be implemented using an NMOS structure.
【図26】 NMOS構造を用いて実現することが可能な電荷ポンプであって、図23のト
ポロジーに基づいてフローティング電圧源として機能し、出力には整流ブリッジ
が用いられているキャパシタ型電荷ポンプの一例を示す図である。26 is a diagram showing a charge pump that can be realized by using an NMOS structure, which functions as a floating voltage source based on the topology of FIG. 23 and has a rectifier bridge as an output; It is a figure showing an example.
【図27】 その回路から、新規性があると主張する電荷ポンプのトポロジーを得ることが
できるNMOS構造を用いて実現可能な基本回路の一例を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing an example of a basic circuit that can be realized by using an NMOS structure from which a charge pump topology that claims to be novel can be obtained.
【図28a】 典型的なブートストラップ回路の一例を示す図である。FIG. 28a illustrates an example of a typical bootstrap circuit.
【図28b】 パワートランジスタMHがターンオンおよびターンオフに遷移する間における
制御信号、出力およびゲート電圧の時間変化を示す図である。FIG. 28B is a diagram showing a time change of a control signal, an output, and a gate voltage during a transition of the power transistor MH to turn on and turn off.
【図29】 NMOS構造を用いて実現することのできるブートストラップ回路の一例を示
す図である。FIG. 29 is a diagram illustrating an example of a bootstrap circuit that can be realized using an NMOS structure.
【図30a】 ハイサイドトポロジーのNMOSに基づいたパワーデバイス用ブートストラッ
プ回路の一例を示す図である。FIG. 30a is a diagram showing an example of a bootstrap circuit for a power device based on a high-side topology NMOS.
【図30b】 パワートランジスタMHがターンオンおよびターンオフに遷移する間における
様々な波形を示す図である。FIG. 30b is a diagram showing various waveforms during a transition of the power transistor MH between turn-on and turn-off.
【図31】 ハイサイドトポロジーのパワーデバイスに電流を供給するための標準的なフロ
ーティング電流源の一例を示す図である。FIG. 31 is a diagram showing an example of a standard floating current source for supplying a current to a power device having a high-side topology.
【図32】 NMOS構造を利用して実現することのできるフローティング電流源の一例を
示す図である。FIG. 32 is a diagram illustrating an example of a floating current source that can be realized by using an NMOS structure.
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成13年1月9日(2001.1.9)[Submission date] January 9, 2001 (2001.1.9)
【手続補正1】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】全文[Correction target item name] Full text
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【発明の名称】 マスク構成の変更が可能なスマートパワー回路、その応用、お
よび、GS−NMOSデバイスPatent application title: Smart power circuit capable of changing mask configuration, application thereof, and GS-NMOS device
【特許請求の範囲】[Claims]
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】 [発明の要約] 本発明は、電力制御ブロックに必要とされる一般的な機能を実現するのに適し
たスマートパワー回路を、一種類のNMOSセルだけに基づいたアレイを利用し
てマトリックスの中に設計する際の重要な改良に関するものである。この技術に
より、標準的なCMOS技術を利用したスマートパワー回路のディジタル集積回
路化に向けて、いかなる追加処理プロセスもなしに、工業化の実現が容易な低コ
ストのセミカスタム設計と新しいIC構成戦略とが可能になる。この方法は、洗
練されたスマートパワー回路のプロトタイプを迅速に製作する技術にも応用でき
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a smart power circuit suitable for implementing the general functions required of a power control block, utilizing an array based on only one type of NMOS cell. It is about an important improvement when designing into a matrix. With this technology, a low-cost semi-custom design and a new IC configuration strategy that can be easily industrialized without any additional processing process, toward the digital integration of smart power circuits using standard CMOS technology. Becomes possible. This method can also be applied to the technology for rapidly producing sophisticated smart power circuit prototypes.
【0002】 [発明の背景] スマートパワー回路の進歩は、新しい技術プロセスの発展と関連しており、デ
ィジタルとアナログのライブラリが必要であった。なお、その新しい技術プロセ
スの可能性は、パワーデバイスの正確なキャラクテリゼーションと有用さによっ
て決まるため、洗練されていてコストのかかる技術プロセスが必要である。そう
した洗練された技術により、様々なタイプの半導体が生産されてきた。ほんのわ
ずかではあるが、例示するならば、N−MOS、P−MOS、HV−NMOS(
High-Voltage NMOS:高圧NMOS)、HV−PMOS(High-Voltage PMOS:高
圧PMOS)、電界効果トランジスタ(NPN、PNP、HV−PNP、HV−
NPN)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT、ツェナーダイオード、整流ダ
イオード)、IGBT、MOSサイリスタがある。BACKGROUND OF THE INVENTION Advances in smart power circuits have been associated with the development of new technological processes, requiring digital and analog libraries. It should be noted that the potential of the new technological process depends on the exact characterization and availability of the power device, so a sophisticated and costly technical process is needed. With such sophisticated technologies, various types of semiconductors have been produced. To illustrate, to a small extent, N-MOS, P-MOS, HV-NMOS (
High-Voltage NMOS: High-voltage NMOS, HV-PMOS (High-Voltage PMOS: High-voltage PMOS), Field-effect transistor (NPN, PNP, HV-PNP, HV-
NPN), bipolar junction transistors (BJT, Zener diode, rectifier diode), IGBT, and MOS thyristor.
【0003】 CMOS技術と相性のよい解決法を発見しようと、世界中で盛んに研究が進め
られている。 しかしながら、どのアプローチによっても、標準的なCMOSと完全に相性の
よいデバイスを用いたスマートパワーICの中の電力制御ブロックに必要とされ
る機能を、一種類のセルだけを用いて実現することはできないでいる。[0003] Research is actively under way around the world to find solutions that are compatible with CMOS technology. However, with any approach, it is not possible to achieve the functions required for the power control block in a smart power IC using devices that are completely compatible with standard CMOS, using only one type of cell. I can't.
【0004】 本出願人は、別のアプローチを選択して、高速化と高集積化がなされた低圧(
5ボルト)のカスタムディジタルICを目標として、単一のポリシリコン層、N
型ウエル、二重のメタライゼーションを有する低コストかつサブミクロンの標準
的CMOS技術を用いて、ハイサイド(high-side)とローサイド(low-side)
のスイッチ配置と、NMOSに基づいた側面の最適化スイッチングセルとを得る
ための変更がなされた構造を用いたスマートパワーICを極めて低コストに製造
することが可能であるかどうかを評価した。[0004] Applicants have chosen another approach, which has been developed for low speed (high speed and highly integrated)
5 volts) custom digital IC with a single polysilicon layer, N
Mold well, high-side and low-side using low-cost and submicron standard CMOS technology with double metallization
It was evaluated whether it is possible to manufacture a smart power IC using a structure modified to obtain a switch arrangement of No. 1 and an optimized switching cell based on NMOS based on an extremely low cost.
【0005】 以下のリストには、このテーマに関して出願人が知っているあらゆる参考文献
が含まれている。出願人は、これら参考文献が代表的なものであると考えており
、ある意味で、本発明の背景になるとも考えられる。[0005] The following list contains all references known to the applicant on this subject. Applicants believe that these references are representative and, in a sense, are considered to be the background of the invention.
【0006】 [参考文献] アメリカ合衆国特許 第5,386,136号 1995年1月 リチャード・ウイリアムズ他(Ri
chard Williams et al.)。 「絶縁破壊特性を改良した、わずかにドーピングしたドレインMOSFET("L
ightly-Doped Drain MOSFET With Improved Breakdown Characteristics")」[Reference] United States Patent No. 5,386,136 January 1995 Richard Williams et al. (Ri
chard Williams et al.). "Lightly doped drain MOSFET with improved breakdown characteristics (" L
ightly-Doped Drain MOSFET With Improved Breakdown Characteristics ")"
【0007】 [その他の文献] H.バランおよびM.ドゥクレルク「標準的CMOS技術における高圧デバイ
スおよび高圧回路」、クルワーアカデミックパブリッシャーズ、ドルドレヒト、
オランダ、1999年(H. Ballan and M. Declercq "High Voltage Devices an
d Circuits in Standard CMOS Technologies", Kiuwer Academic Publishers, D
ordrecht, The Netherlands, 1999)。[Other Documents] Balun and M.C. Ducleruk, "High-Voltage Devices and Circuits in Standard CMOS Technology", Kruwer Academic Publishers, Dordrecht,
The Netherlands, 1999 (H. Ballan and M. Declercq "High Voltage Devices an
d Circuits in Standard CMOS Technologies ", Kiuwer Academic Publishers, D
ordrecht, The Netherlands, 1999).
【0008】 B.J.バリガ「スマートパワー技術の概観」、電子デバイスに関するIEE
E報告書、第38巻、第7号、1568〜1575ページ、1991年7月(B.
J. Baliga "An Overview of Smart Power Technology", IEEE Trans. on Elect
ronic Devices, Vol. 38, n.7, pp. 1568-1575, July 1991)。B. J. Bariga "Overview of Smart Power Technology", IEEE on Electronic Devices
E Report, Vol. 38, No. 7, pp. 1568-1575, July 1991 (B.
J. Baliga "An Overview of Smart Power Technology", IEEE Trans. On Elect
ronic Devices, Vol. 38, n.7, pp. 1568-1575, July 1991).
【0009】 W.プリビル「集積化されたスマートパワー回路に関する技術、設計、応用」
、第22回欧州ソリッドステート回路会議、ESSCIRC’96、ヌーシャテ
ル、スイス、1996年9月17日〜19日(W. Pribyl, "Integrated Smart P
ower Circuits Technology, Design and Application", in Proceedings of the
22nd European Solid-State Circuits Conference, ESSCIRC'96, Neuchatel, S
witzerland, 17-19 September 1996)。W. Prebuild "Technology, design and application related to integrated smart power circuits"
, 22nd European Solid State Circuit Conference, ESSC IRC '96, Neuchatel, Switzerland, September 17-19, 1996 (W. Pribyl, "Integrated Smart P
ower Circuits Technology, Design and Application ", in Proceedings of the
22nd European Solid-State Circuits Conference, ESSCIRC'96, Neuchatel, S
witzerland, 17-19 September 1996).
【0010】 A.B.ムラーティ、F.ベルトッティ、G.A.ヴィニョーラ(編)「スマ
ートパワーIC−技術と応用」、シュプリンガー、ベルリン、1996年(A. B
. Murati, F. Bertotti and G. A. Vignola (Eds.), "Smart Power ICs - Techn
ologies and Applications", Springer, Berlin, 1996)。A. B. Murati, F. Bertotto, G. A. Vignola (eds.) "Smart Power IC-Technology and Applications", Springer, Berlin, 1996 (A.B.
Murati, F. Bertotti and GA Vignola (Eds.), "Smart Power ICs-Techn
Technologies and Applications ", Springer, Berlin, 1996).
【0011】 「スマートパワー回路の市場と応用」、エレクトロニックトレンドパブリケー
ションズ、1996年("Smart Power Markets and Applications", Electronic
Trend Publications, 1996)。 A.G.M.ドルニー、O.H.シャーデ、B.ゴールドスミス、L.A.グ
ッドマン「アナログ−ディジタルパワーICに応用するためのエンハンストCM
OS」、電子デバイスに関するIEEE報告書、第ED−33巻、1985〜1
991ページ、1986年(A. G. M. Dolny, O. H. Schade, B. Goldsmith, an
d L. A. Goodman, "Enhanced CMOS for analog-digital power IC applications
," IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-33, pp. 1985-1991, 1986)。"Smart Power Markets and Applications", Electronic Trend Publications, 1996 ("Smart Power Markets and Applications", Electronic
Trend Publications, 1996). A. G. FIG. M. Dorney, O. H. Schade, B.S. Goldsmith, L.A. A. Goodman: Enhanced CM for application to analog-digital power ICs
OS ", IEEE Report on Electronic Devices, ED-33, 1985-1
Page 991, 1986 (AGM Dolny, OH Schade, B. Goldsmith, an
d LA Goodman, "Enhanced CMOS for analog-digital power IC applications
, "IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-33, pp. 1985-1991, 1986).
【0012】 B.Z.パルピア、C.A.T.サラマ、R.A.ハダウェイ「CMOSと相
性のよい高圧デバイス構造のモデル化とキャラクテリゼーション」、電子デバイ
スに関するIEEE報告書、第ED−34巻、2335〜2343ページ、19
87年(B. Z. Parpia, C. A. T. Salama and R. A. Hadaway, "Modelling and
characterisation of CMOS-compatible high-voltage device structures", IEE
E Trans. Electron Devices, vol. ED-34, pp. 2335-2343, 1987.
)。B. Z. Palpier, C.I. A. T. Salama, R. A. Haddaway, "Modeling and Characterization of High-Voltage Device Structures Compatible with CMOS", IEEE Report on Electronic Devices, ED-34, pp. 2335-2343, 19
87 (BZ Parpia, CAT Salama and RA Hadaway, "Modeling and
characterisation of CMOS-compatible high-voltage device structures ", IEE
E Trans. Electron Devices, vol.ED-34, pp. 2335-2343, 1987.
).
【0013】 C.T.エフランド、T.ケラー、S.ケラー、J.ロドリゲス「サブミクロ
ンCMOS技術において既存の製造ステップを利用した補償型40ボルトパワー
用最適化LDMOS−FET」、IEDM技術ダイジェスト、399〜402ペ
ージ、1994年(C. T. Efland, T. Keller, S. Keller and J. Rodriguez, "
Optimised complementary 40 V power LDMOS-FETs using existing fabrication
steps in submicron CMOS technology", in IEDM Tech. Dig., pp. 1994)。C. T. Efland, T.W. Keller, S.M. Keller, J.A. Rodriguez, "Optimized LDMOS-FET for Compensated 40 Volt Power Using Existing Manufacturing Steps in Submicron CMOS Technology," IEDM Technology Digest, pp. 399-402, 1994 (CT Efland, T. Keller, S. Keller and J. Rodriguez, "
Optimized complementary 40 V power LDMOS-FETs using existing fabrication
steps in submicron CMOS technology ", in IEDM Tech. Dig., pp. 1994).
【0014】 S.フィンコ、F.H.ベーレンス、M.I.カストロシマス「DC−DC電
力調節のためのスマートパワーIC」、IEEE産業応用学会の第27回年次総
会、IAS’92、1204〜1211ページ、ヒューストン、テキサス州、ア
メリカ合衆国、1992年10月(S. Finco, F. H. Behrens, M. I. Castro Si
mas, "A Smart Power IC for DC-DC Power Regulation", in Proceedings IEEE
Industrial Applications Society 27th Annual Meeting, IAS '92, pp. 1204-1
211, Houston, Teas, U.S.A., October 1992)。S. Finco, F.C. H. Behrens, M .; I. Castrosimus, "Smart Power IC for DC-DC Power Regulation," The 27th Annual Meeting of the IEEE Society of Industrial Applications, IAS '92, pp. 1204-1121, Houston, Texas, USA, October 1992 (S Finco, FH Behrens, MI Castro Si
mas, "A Smart Power IC for DC-DC Power Regulation", in Proceedings IEEE
Industrial Applications Society 27th Annual Meeting, IAS '92, pp. 1204-1
211, Houston, Teas, USA, October 1992).
【0015】 M.I.カストロシマス、J.コスタ.フレイレ、S.フィンコ、F.H.ベ
ーレンス「LDD、LDSDのNMOSトランジスタのモデル化とキャラクテリ
ゼーション」、IEEE産業応用学会の第28回年次総会、IAS’93、11
83〜1189ページ、トロント、オンタリオ州、カナダ、1993年10月(
M. I. Castro Simas, J. Costa Freire, S. Finco, F. H. Behrens, "Modeling
and Characterization of LDD and LDSD NMOS Transistors" in Proceedings IE
EE Industrial Applications Society 28th Annual Meeting, IAS '93, pp. 118
3-1189, Toronto, Ontario, Canada, October 1993)。M. I. Castrosimus, J.M. Costa. Freire, S.M. Finco, F.C. H. Behrens, "Modeling and Characterization of NMOS Transistors for LDD and LDSD", The 28th Annual Meeting of the IEEE Society of Industrial Application, IAS'93, 11
83-1189, Toronto, Ontario, Canada, October 1993 (
MI Castro Simas, J. Costa Freire, S. Finco, FH Behrens, "Modeling
and Characterization of LDD and LDSD NMOS Transistors "in Proceedings IE
EE Industrial Applications Society 28th Annual Meeting, IAS '93, pp. 118
3-1189, Toronto, Ontario, Canada, October 1993).
【0016】 [発明の説明と応用] 以下に、図面を参照して説明する。図面は本発明を説明するのに不可欠であり
、本発明の理解を容易にすることを目的としている。しかし、本発明が図面に限
定されることはない。 スマートパワー回路のプロトタイプを素早く作ることが実現可能かどうかを評
価するために、高速化、高集積化、低圧(5ボルト)のカスタムディジタル回路
の製造を目的とした、単一のポリシリコン層、N型ウエル、二重のメタライゼー
ションを有する低コストかつサブミクロンの標準的なCMOS技術を選択して、
ハイサイドとローサイドのスイッチ構造と、NMOSをもとにした側面の最適化
スイッチングセル(すなわち、(GSLDD/GSLDSD−NMOS)とを得
るための変更がなされた構造を用いたスマートパワーICを極めて低コストに製
作することを目指した。パワーデバイス、すなわちGSLDSD、LDSD、ま
たはそれ以外のフローティングトランジスタを適切に組み合わせ、それに同じモ
ノリシック回路に集積化された、または集積化されていない受動素子を加えたも
のを繰り返し作成することでアレイを形成できる。このアレイは、マトリックス
配置の中に組み込むことができる。このアレイはまた、要求される機能に応じ、
従来の金属マスクによって容易にプログラムすることができる。[Description and Application of the Invention] Hereinafter, description will be made with reference to the drawings. The drawings are essential for explaining the present invention and are intended to facilitate understanding of the present invention. However, the present invention is not limited to the drawings. To evaluate the feasibility of quickly making smart power circuit prototypes, a single layer of polysilicon, intended for the production of high speed, highly integrated, low voltage (5 volt) custom digital circuits, Choose N-well, low cost, sub-micron standard CMOS technology with double metallization,
A smart power IC using a structure modified to obtain a high-side and low-side switch structure and an optimized switching cell on the side based on NMOS (that is, (GSLDD / GSLDSD-NMOS)) is extremely low. Power devices, ie GSLDSD, LDSD, or any other suitable combination of floating transistors, plus integrated or non-integrated passive elements in the same monolithic circuit Can be repeatedly formed to form an array, which can be incorporated into a matrix arrangement. The array can also be used, depending on the required function.
It can be easily programmed with a conventional metal mask.
【0017】 それに加え、これらデバイスを駆動、保護するのに必要な機能、電力の制御ま
たは増幅を行なうための特定のトポロジーに従って検出や制御をするのに必要な
機能を実現するのに適した回路が技術的に発達してきたおかげで、一種類のNM
OSセルだけを使って新しいブロックを作ることが可能になった。ところでこの
NMOSセルは、主として、フローティングトランジスタであるGSLDSDま
たはLDSDか、または、別の高域通過トランジスタであるLDMOSなどであ
る。標準的CMOS技術を使って、この方法が実現可能かどうかを確かめた。パ
ワーデバイスと、効率的な駆動を目的とした駆動回路ブロック、例えばNMOS
レベルシフター、参照用電圧源、NMOS整流器、NMOSをもとにした電荷ポ
ンプ、NMOSをもとにしたブートストラップ、NMOS電流源を、プログラム
可能なNMOS構造をもとにしたマトリックスを利用して実現した。必要とされ
る相互接続を行なうには、表面の金属マスクだけを用いた。In addition, circuits suitable for implementing the functions necessary to drive and protect these devices, and the functions necessary to detect and control according to a particular topology for controlling or amplifying power. Is a kind of NM thanks to its technological development
New blocks can be created using only OS cells. By the way, this NMOS cell is mainly GSLDSD or LDSD which is a floating transistor, or LDMOS which is another high-pass transistor. Standard CMOS technology was used to see if this method was feasible. Power device and drive circuit block for efficient drive, such as NMOS
Level shifter, reference voltage source, NMOS rectifier, NMOS-based charge pump, NMOS-based bootstrap, NMOS current source implemented using a matrix based on a programmable NMOS structure did. Only the surface metal mask was used to make the required interconnections.
【0018】 すでに成熟したCMOS技術となっている、最適化されたこれらNMOSデバ
イスが、マトリックス配置の特殊な構造の中に組み込まれることで、低コストで
信頼性のある解決法が得られた。さらに、エレクトロニック設計自動化(EDA
)ツールがすでに利用できるため、自動的な配置と経路設定、システムと回路の
シミュレータ、標準セルのライブラリなどを利用して、エラーのない回路を短い
設計サイクルで実現できる。These optimized NMOS devices, already in mature CMOS technology, have been incorporated into special structures in a matrix arrangement, resulting in a low cost and reliable solution. Furthermore, electronic design automation (EDA)
) Because tools are already available, error-free circuits can be realized in a short design cycle using automatic placement and routing, system and circuit simulators, and standard cell libraries.
【0019】 したがって、この方法は、セミカスタムのスマートパワー回路の設計に極めて
適しており、したがっていかなる処理ステップも追加せずに標準的なCMOS技
術を用いてスマートパワー回路のプロトタイプを素早く製造するのにも極めて適
していることがわかる。さらに、この考え方は、カスタムICを低い連続生産コ
ストと短い生産サイクルで製造するレディメイドの解決法を得るための専用技術
に応用することもできる。The method is therefore very suitable for the design of semi-custom smart power circuits, thus making it possible to quickly produce a smart power circuit prototype using standard CMOS technology without any additional processing steps. It can be seen that the method is also very suitable for. In addition, this concept can be applied to dedicated technology for obtaining a ready-made solution for manufacturing custom ICs with low continuous production costs and short production cycles.
【0020】 [発明の範囲] 本発明は、スマートパワー回路のセミカスタム設計を行なう新しい戦略に関す
る。つまり本発明は、整流、駆動、保護、増幅、検出、および、制御に必要なす
べてのトポロジーを実現するとともに、高圧信号を取り扱うことができ、マイク
ロプロセッサとのインターフェースともなり、欠陥の検出やプロセスのモニタも
できるようにするなどの必要とされる機能に応じて、表面の金属マスクだけを用
いて簡単にプログラムできるために設計が容易な一種類のセルだけをマトリック
ス配置における基本アレイとして組み合わせることにより素早くプロトタイプを
製作することに関する。Scope of the Invention The present invention relates to a new strategy for performing semi-custom design of a smart power circuit. In short, the invention implements all the topologies needed for rectification, driving, protection, amplification, detection, and control, can handle high-voltage signals, interfaces with microprocessors, detects defects and processes. Combining only one type of cell as a basic array in a matrix arrangement that is easy to design because it can be easily programmed using only the surface metal mask, depending on the required function, such as enabling the monitoring of On making prototypes faster.
【0021】 このようにして、NMOS構造をもとにした回路が得られる。この回路の設計
にあたっては、表面の金属膜を用いて構成することができる適切な相互接続を基
本セルアレイの中および基本セルアレイ間に実現することでこの回路が得られる
ようにする。このようにすることで、CMOS技術だけでなく、集積化パワー回
路専用の技術も利用した、スマートパワー回路の素早いプロトタイプ製作という
独自性が生まれる。In this manner, a circuit based on the NMOS structure is obtained. In designing this circuit, the circuit is obtained by realizing appropriate interconnections that can be configured using the metal film on the surface in and between the basic cell arrays. In this way, the uniqueness of rapid prototype production of a smart power circuit using not only the CMOS technology but also the technology dedicated to the integrated power circuit is created.
【0022】 スマートパワー回路のプロトタイプを素早く製作できると、低電力と中間電力
への用途にただちに応用できる。それは、自動車、ロボット工学、携帯通信機器
、医療機器産業への応用であり、これらの分野では、高い信頼性とコンパクトさ
が要求される。If a prototype of a smart power circuit can be quickly manufactured, it can be immediately applied to low power and intermediate power applications. It has applications in the automotive, robotics, mobile communications and medical device industries, where high reliability and compactness are required.
【0023】 [発明の対象と目的] 本発明は、スマートモノリシック電力システム(monolithic Smart Power sys
tems)において、NMOS構造だけを用いて、スイッチング、駆動、制御、増幅
、検出、保護を行なう回路の設計と実現に関するものである。 (a)NMOS構造に基づいたプログラム可能なマトリックス配置のセルライ
ブラリを提供する。それは、金属膜による相互接続という便利な手段を用いて、
電力の変換と増幅に必要とされる機能を実現するためである。[Object and Object of the Invention] The present invention relates to a monolithic smart power system.
The present invention relates to the design and realization of circuits for switching, driving, controlling, amplifying, detecting, and protecting using only the NMOS structure. (A) Providing a programmable matrix-arranged cell library based on an NMOS structure. It uses a convenient means of metal film interconnection,
This is to realize functions required for power conversion and amplification.
【0024】 (b)NMOS構造だけを使いながら、高圧を取り扱ったり、デバイスを制御
、駆動、検出、保護したりという必要な機能を実現することのできる回路トポロ
ジーを提供する。 (c)標準的なCMOS技術を利用してLDSDやLDD NMOSトランジ
スタを最適化することで、つまり最適化されたNMOSデバイス(GSLDDと
GSLDSD)を利用することで、絶縁破壊電圧が50ボルトまで引き上げられ
るため、絶縁破壊電圧を従来技術で認められている限界をはるかに超えた電圧範
囲まで拡張することが可能になる。 (d)連続生産のコストを実質的に低減させる。 (e)信頼性を低下させることなく生産サイクルに要する時間を短縮する。 (f)機能的ブロックの再利用を可能にする。(B) Provide a circuit topology capable of realizing necessary functions such as handling a high voltage and controlling, driving, detecting, and protecting a device while using only an NMOS structure. (C) Optimizing LDSD and LDD NMOS transistors using standard CMOS technology, ie, using optimized NMOS devices (GSLDD and GSLDSD) to increase the breakdown voltage to 50 volts As a result, it is possible to extend the breakdown voltage to a voltage range far beyond the limits recognized in the prior art. (D) Substantially reduce the cost of serial production. (E) Reduce the time required for the production cycle without reducing reliability. (F) Enable reuse of functional blocks.
【0025】 [既存の方法、材料および製品と比べた場合の利点と改良点] ここに記載されている本発明は、基本セルからなるアレイとマトリックスをカ
バーしている。そこでは、電力の制御、増幅、変換、スイッチングを行なうのに
一般的に必要とされる機能を実現するのにNMOS構造が使われている。また、
カットオフ状態に耐える電圧に対して最適化されたNMOSデバイス、すなわち
GSLDD/GSLDSDのNMOSトランジスタも使われている。Advantages and Improvements Compared to Existing Methods, Materials and Products The invention described herein covers arrays and matrices of elementary cells. Here, an NMOS structure is used to realize functions generally required for power control, amplification, conversion, and switching. Also,
NMOS devices optimized for voltages that withstand cut-off conditions, ie, GSLDD / GSLDSD NMOS transistors, are also used.
【0026】 本発明の利点は以下の通りである。 わずかなドーパントが拡散したNMOS構造だけを利用してドレイン電極とソー
ス電極を形成するために、高圧パワーデバイスを製作し、電力制御機能を実現す
るのに、通常利用されているよりも簡単な、或いは複雑さが少ない標準的な技術
を利用することができる。The advantages of the present invention are as follows. A simpler than normally used to fabricate high voltage power devices and implement power control functions to form drain and source electrodes using only NMOS structures with a small amount of dopant diffusion, Alternatively, standard techniques with low complexity can be used.
【0027】 デバイスおよび回路のシミュレーションを行なうのに、半導体構造に関して単一
の基本的電気モデルを使うことができる。 いかなる追加処理プロセスもなしに、標準的なCMOS技術と相性のよいスマ
ートパワー集積回路を製作することが可能になる。 いかなる追加処理プロセスもなしに、従来のCMOS技術と相性のよいマイク
ロシステムを大量生産することができる。それは、技術の趨勢と合致している。
すでに存在しているライブラリにパワー制御回路ライブラリを単に追加するだけ
で、市場に存在している多数の標準的なCMOSプロセスを利用してスマートパ
ワー回路を実現する可能性が生まれる。A single basic electrical model for semiconductor structures can be used to simulate devices and circuits. Without any additional processing, it is possible to produce smart power integrated circuits that are compatible with standard CMOS technology. Microsystems compatible with conventional CMOS technology can be mass-produced without any additional processing. It is consistent with technology trends.
Simply adding a power control circuit library to an existing library opens up the possibility of implementing a smart power circuit using a number of standard CMOS processes that exist on the market.
【0028】 セミカスタムのスマートパワー集積回路の製造が可能になる。つまり、セミカ
スタムのスマートパワー集積回路は、セミカスタムのディジタル回路を製造する
のに利用できる従来のCMOS技術のプロセスを用いた表面金属膜により、容易
に構成できるようになる。 スマートパワー回路を製造するための多くの専用技術を利用して、セミカスタ
ムのスマートパワー回路を製造する可能性が生まれる。そのセミカスタムのスマ
ートパワー回路は、電力制御回路ライブラリを作るだけで、表面金属膜により、
容易に構成できるようになる。The production of semi-custom smart power integrated circuits becomes possible. That is, semi-custom smart power integrated circuits can be easily configured with surface metal films using conventional CMOS technology processes that can be used to fabricate semi-custom digital circuits. The possibility of manufacturing semi-custom smart power circuits is created using many specialized technologies for manufacturing smart power circuits. The semi-custom smart power circuit only creates a power control circuit library,
It can be easily configured.
【0029】 フローティングNMOSデバイスが利用できる任意のCMOS技術を使い、ス
マートパワー集積回路のプロトタイプを素早く作ることが可能になる。 標準的なCMOS技術と相性のよい高圧トランジスタのための最適な配置を得る
ことができる。本発明はさらに、標準的なCMOS技術で一般に確立されている
よりも広い範囲の電圧に応用することもできる。Using any CMOS technology for which a floating NMOS device is available, a smart power integrated circuit prototype can be quickly made. An optimal arrangement for high-voltage transistors compatible with standard CMOS technology can be obtained. The present invention is also applicable to a wider range of voltages than is generally established in standard CMOS technology.
【0030】 [発明の詳細な説明] 以下に、本発明で用いられるマトリックスを詳細に説明する。このマトリック
スの基本セルは、最適化されたNMOSトランジスタに基づいてできている。ポ
リシリコン製ゲートマスクをシフトさせることでデバイスを最適化する技術につ
いても詳細に説明する。この技術により、このタイプの最適化されたトランジス
タの略語としてGSLDDとGSLDSDのNMOSが生まれるが、これらトラ
ンジスタも本発明の一部をなす。[Detailed Description of the Invention] Hereinafter, the matrix used in the present invention will be described in detail. The basic cells of this matrix are based on optimized NMOS transistors. A technique for optimizing a device by shifting a polysilicon gate mask will also be described in detail. This technology gives rise to GSLDD and GSLDSD NMOS as abbreviations for optimized transistors of this type, which transistors are also part of the present invention.
【0031】 提案している回路はNMOS構造のみに基づいており、そのトポロジーのいく
つかについても、本発明の不可欠な一部として詳細に説明する。この回路が、ス
マートパワーICの電力制御を行なうブロックの中にあって前記の電力スイッチ
ングデバイスを駆動するのに必要な従来の回路、例えばクリッパー、クランパー
、レベルシフター、高圧フローティングドライバー、電荷ポンプ、ブートストラ
ップなどに置き換わることになる。The proposed circuit is based solely on the NMOS structure, and some of its topologies are also described in detail as an integral part of the present invention. This circuit is in the power control block of the smart power IC, and is a conventional circuit necessary to drive the power switching device, such as a clipper, a clamper, a level shifter, a high voltage floating driver, a charge pump, and a boot. It will be replaced with a strap.
【0032】 [1.スイッチングセル] スイッチングセルは、マトリックス内で利用できるNMOS構造に基づいてい
る。なおNMOS構造は、表面にかぶせる金属膜によって構成することができる
。NMOS構造の可能な組み合わせ方は非常に多くあり、それらの組み合わせを
用いて、最も一般的なスイッチ負荷のトポロジーを実現することができる。例え
ば、ハイサイド(図1)、ローサイド(図1)、帯域通過素子(図1)、プッシ
ュプル(図2)、ハーフブリッジ(図2)、フルブリッジ(図3)、n型フェー
ズ(図4)や、それ以外にこれらから派生するトポロジーが可能である。[1. Switching Cell] The switching cell is based on the NMOS structure available in the matrix. Note that the NMOS structure can be formed of a metal film over the surface. There are numerous possible combinations of NMOS structures, and these combinations can be used to implement the most common switch load topologies. For example, high side (FIG. 1), low side (FIG. 1), band pass element (FIG. 1), push-pull (FIG. 2), half bridge (FIG. 2), full bridge (FIG. 3), n-type phase (FIG. 4) ) And other derived topologies are possible.
【0033】 マトリックスは、NMOS構造のアレイからなり、このアレイが、目的に適し
た相互接続特性を与えている。 マトリックスとアレイには、単位セルとして、単一の任意のNMOSパワート
ランジスタを一般に用いることができるが、本明細書では、マトリックスとアレ
イは、従来のCMOS技術を利用して実現できるNMOSトランジスタに基づい
ているものとする。The matrix consists of an array of NMOS structures, which gives the interconnect properties suitable for the purpose. Although any single NMOS power transistor can generally be used as the unit cell for the matrix and array, in this specification the matrix and array are based on NMOS transistors that can be implemented using conventional CMOS technology. It is assumed that
【0034】 [1.A.1 NMOS構造からなるマトリックス] マトリックス(図5)は、制御信号相互接続チャネル(中間部2I、側部2L
)によって隔てられたNMOS構造のアレイ(1)と、パッド(上部3T、下部
3B、側部3L、コーナー3C)とからなる。NMOS構造の積層数およびアレ
イの列の数は、設計するマトリクスの全電力によって決まる。[1. A. 1 Matrix Consisting of NMOS Structure] The matrix (FIG. 5) includes control signal interconnect channels (intermediate part 2I, side part 2L).
), And an array (1) of an NMOS structure separated by a pad (upper 3T, lower 3B, side 3L, corner 3C). The number of stacks in the NMOS structure and the number of columns in the array depend on the total power of the matrix to be designed.
【0035】 ドレインとソースの相互接続は、NMOS構造アレイ(1)(図5)の上に膜
としてかぶせる金属製トラック(金属2)(4)(図6)によりなされる。金属
製トラックは、それぞれのNMOS構造アレイごとに全部で6つあり、相互接続
がより柔軟になされるようにしている。ドレインとソースを接続したり、異なる
アレイのNMOS構造の間でコーナーに隣接する側部パッド(5と3L)に接続
したりするには、マトリックス(図6)の上部と下部に2本または3本設けられ
た接続用トラックとしての第1のメタライゼーション(上部6T、下部6B)を
用いる。トラックの数は、マトリックスの大きさに依存して決まる。The interconnection between the drain and the source is made by metal tracks (Metal 2) (4) (FIG. 6) overlaid on the NMOS structure array (1) (FIG. 5). There are a total of six metal tracks for each NMOS structure array, making interconnection more flexible. To connect the drain and source, or to the side pads (5 and 3L) adjacent to the corner between different arrays of NMOS structures, two or three at the top and bottom of the matrix (FIG. 6) The first metallization (upper part 6T, lower part 6B) as a connection track provided here is used. The number of tracks depends on the size of the matrix.
【0036】 NMOS構造(1)の幅は、制御信号相互接続チャネルの幅の和が4つのパッ
ド(図6)を置くのに必要な幅に対応するよう計算する。これらパッドのうちの
2つは、もっぱら電力接続用(7A)として用い、残りの2つは、制御および/
または電力信号用(7B)とする。したがって、パッドの数はアレイの数によっ
て決まり、各アレイごとに8つで、その内訳は上部に4つ、下部に4つである。
マトリックスの側部にあるパッド(図5、3L)の数は、下部(3B)と上部(
3T)にあるパッドの数と同じである。制御信号相互接続チャネル(2Iと2L
)(図5)の数は、NMOS構造アレイ(1)の数に1を加えた数に等しくなっ
ている。そのため、マトリックスの両側に制御信号相互接続チャネル(図5)が
存在し、制御信号相互接続チャネルをマトリックスの両側に位置するパッド(3
L)に接続することが可能になる。The width of the NMOS structure (1) is calculated such that the sum of the widths of the control signal interconnect channels corresponds to the width required to place the four pads (FIG. 6). Two of these pads are used exclusively for power connection (7A) and the other two are used for control and / or
Or, it is for a power signal (7B). Therefore, the number of pads is determined by the number of arrays, eight for each array, with four at the top and four at the bottom.
The number of pads (FIGS. 5, 3L) on the side of the matrix is lower (3B) and upper (3B).
3T) is the same as the number of pads. Control signal interconnect channels (2I and 2L
) (FIG. 5) is equal to the number of NMOS structure arrays (1) plus one. Therefore, control signal interconnect channels (FIG. 5) are present on both sides of the matrix, and control signal interconnect channels are located on pads (3
L).
【0037】 [1.A.2 可能な相互接続] NMOS構造同士の相互接続とNMOS構造のパッドへの接続は、技術的に可
能な最小サイズと各マトリックス特有の制約とによって決まるグリッド状の最短
接続経路に基づいている。相互接続用トラック全体の幅は、第1のメタライゼー
ション(金属1)と第2のメタライゼーション(金属2)のいずれにおいても、
個々のトラックの倍数である。[1. A. 2 Possible Interconnections] The interconnections between the NMOS structures and the connections to the pads of the NMOS structures are based on a grid-like shortest connection path determined by the minimum technically possible size and the specific constraints of each matrix. The width of the entire interconnect track in both the first metallization (Metal 1) and the second metallization (Metal 2)
It is a multiple of each track.
【0038】 制御信号相互接続チャネル(図7)は、水平方向の接続用で金属1からなるト
ラック(12)と、あらかじめ決められているチャネル(17)(図7a)の上
にかぶさって垂直方向の接続をなす金属2からなるトラック(8)とで構成され
ている。金属2/金属1の接続には、すでに存在している一連のビア(sets of
vias:22)を用いる。これらビアは、厚いフィールド酸化物を貫通して第1と
第2のメタライゼーションを接続している。The control signal interconnect channel (FIG. 7) is made up of a metal 1 track (12) for horizontal connection and a vertical channel over a predetermined channel (17) (FIG. 7a). And a track (8) made of metal 2 which makes the above connection. The metal 2 / metal 1 connection has a set of existing vias (sets of
vias: 22) is used. These vias connect the first and second metallizations through the thick field oxide.
【0039】 このような前処理をした構成のマトリックスによる相互接続は、NMOS構造
(16E)の接続端子群と相互接続チャネル(16C)の接続端子群の間に挿入
した長方形の金属2と、金属2からなるトラック(8)とによって実現される(
図7b)。こうすることによって、アクセスのための垂直方向の接続、例えば上
部(6T)と下部(6B)をつなぐチャネル(図5)またはパッド(3T、3L
、3B)を実現したり、電流レベルを低くするために、スイッチングセルを局所
的に相互に接続して所定の回路トポロジーを形成したりする。The interconnection by the matrix having such a pre-processed configuration is made up of a rectangular metal 2 inserted between the connection terminal group of the NMOS structure (16E) and the connection terminal group of the interconnection channel (16C), (8) consisting of two tracks (8)
Figure 7b). This allows vertical connections for access, such as channels (FIG. 5) or pads (3T, 3L) connecting the upper (6T) and lower (6B).
3B), or to lower the current level, the switching cells are locally interconnected to form a predetermined circuit topology.
【0040】 垂直チャネル内の金属2のトラックと接続するためには、このメタライゼーシ
ョン内に、最も近いビア(22)からの小さな導電経路を水平方向に追加する必
要がある。 長方形の金属(12)からなり、多数のビア(22)によって金属2(21)
に接続された接続端子群がNMOS構造(16E)と相互接続チャネル(16C
)(図7b)の両方に存在しているため、NMOS構造のゲート(16P)、ド
レイン(16D)、ソース(16F)、保護リング(11)から延びる金属1の
トラック(12)を、相互接続チャネルの水平な金属1のトラック(12)に接
続することができる(図7aおよび図7b)。In order to connect to the metal 2 tracks in the vertical channels, a small conductive path from the nearest via (22) needs to be added horizontally in this metallization. It is made of a rectangular metal (12) and has a number of vias (22) to form a metal 2 (21)
Are connected to the NMOS structure (16E) and the interconnect channel (16C).
) (FIG. 7b), interconnect the gate (16P), drain (16D), source (16F), metal 1 tracks (12) extending from the guard ring (11) of the NMOS structure. It can be connected to the horizontal metal 1 track (12) of the channel (FIGS. 7a and 7b).
【0041】 相互接続チャネルの金属1のトラック(12)は、このチャネルに隣接する2
つのNMOS構造に独立にアクセスできるよう、途中で切れている(12I、図
7a)。相互接続チャネルは、異なるアレイ内の基本セル間の水平方向の相互接
続と、同一のアレイ内の基本セル間の垂直方向の相互接続の両方を実現している
。 どの制御チャネルにも、各基本セルのための2つのポリシリコン製抵抗器(2
3)がある。このポリシリコンは、トランジスタのゲートを作るのに使われるポ
リシリコンよりは大きな抵抗値であり、その典型的な値は、45Ω/□である(
図7a)。抵抗器(23)は、ポリシリコン2/金属1からなる一対の接点(2
3C)を用いて、異なる金属1のトラック(12)の間に挿入されている(図7
a)。The metal channel 1 track (12) of the interconnect channel is adjacent to the channel 2
The two NMOS structures are cut off in the middle so that they can be accessed independently (12I, FIG. 7a). The interconnect channels provide both horizontal interconnection between elementary cells in different arrays and vertical interconnection between elementary cells in the same array. Each control channel has two polysilicon resistors (2
There is 3). This polysilicon has a higher resistance than the polysilicon used to make the gate of the transistor, and its typical value is 45Ω / □ (
Figure 7a). The resistor (23) has a pair of contacts (2
3C) between different metal 1 tracks (12) (FIG. 7).
a).
【0042】 P+の拡散により形成された接地面(24)(図5)があるため、ノイズの原
因となる可能性のあるあらゆる閉ループを排除することができる。また、制御用
相互接続チャネルの下にあるこのP+拡散トラック(24)(図7b)は、マト
リックスの上部(6T)と下部(6B)にある導電チャネルの下に位置するP+
トラックに交互に接続されている。The presence of the ground plane (24) (FIG. 5) formed by the diffusion of P.sup. + Eliminates any closed loops that may cause noise. Further, the P + diffusion track under the control interconnect channel (24) (FIG. 7b) are located beneath the conductive channel in the the bottom (6B) top of the matrix (6T) P +
Alternatingly connected to trucks.
【0043】 [1.A.3 基本となるNMOS構造] 基本となるNMOS構造は、並置した2つのLDSD(ソースとドレインにわ
ずかにドーピングした)トランジスタからなる(図8)。この2つのトランジス
タは、P+が拡散された保護リング(11)のみを共有していて、別々に使用で
きるようになっている。なお保護リングは、全体を取り囲むようにもなっている
(図8)。[1. A. 3. Basic NMOS Structure] The basic NMOS structure consists of two LDSD (lightly doped source and drain) transistors juxtaposed (FIG. 8). These two transistors share only the protection ring (11) in which P + is diffused, and can be used separately. The protection ring also surrounds the whole (FIG. 8).
【0044】 NMOS構造への内部接続は、このNMOS構造全体にわたって水平方向に設
けられた複数の金属1のトラックによりなされる。これらトラックは、NMOS
構造のソース(10)とドレイン(13)(図8)に接続されているが、その大
多数は、レイアウト規則にのっとった技術により可能な金属1/拡散領域の接続
によるものであり、個々のN+拡散領域に接続されている。この方法は、接触抵
抗を小さくし、トランジスタの端子に沿った電流の分布を均一にすることを目的
としている。金属2のトラック(4)を正しい角度で金属1のトラックに接続す
るために、適切な数のビアとして5〜7組のビア(15)(図8)が技術的に可
能な方法で設けられていて、電流が、このNMOS構造で処理される最大電流以
下になるようにしてある。隣接するアレイおよび/またはマトリックス外アレイ
の水平方向の接続は、NMOS構造の両側にある金属1のトラックの端部に位置
するビア群(16E)による(図7b)。ゲート電極は少なくとも2つのビア(
16P)(図7a)を備えており、そのことによって冗長度が生まれて、この接
続がより丈夫、かつ、より小さな抵抗値となっている。ドレイン電極(16D)
とソース電極(16F)(図7a)は、十分な電流容量のある4本以上のビアを
備えていて、単一のNMOS構造で処理される最大電流を流せるようになってい
る。The internal connection to the NMOS structure is made by a plurality of metal 1 tracks provided horizontally across the entire NMOS structure. These tracks are NMOS
Connected to the source (10) and drain (13) of the structure (FIG. 8), the majority of which is due to the connection of metal 1 / diffusion regions, which is possible with layout-based techniques. It is connected to the N + diffusion region. This method aims at reducing the contact resistance and making the current distribution along the terminals of the transistor uniform. In order to connect the metal 2 tracks (4) to the metal 1 tracks at the correct angles, 5-7 sets of vias (15) (FIG. 8) are provided as appropriate vias in a technically feasible manner. Current is less than the maximum current handled by this NMOS structure. The horizontal connection of adjacent arrays and / or extra-matrix arrays is via vias (16E) located at the ends of metal 1 tracks on either side of the NMOS structure (FIG. 7b). The gate electrode has at least two vias (
16P) (FIG. 7a), which creates redundancy and makes this connection more robust and has a lower resistance. Drain electrode (16D)
And the source electrode (16F) (FIG. 7a) has four or more vias with sufficient current capacity to allow the maximum current to be handled by a single NMOS structure.
【0045】 トランジスタのゲートから相互接続チャネルへの接続(18)(図7aと図8
)は、NMOS構造の両側でなされ、パッドへのアクセスが容易になるようにし
ている。そうすることにより、一般には金属1/ポリシリコンの接点をトランジ
スタの活性領域の上には置けないという技術的制約をクリアすることができる。
ゲートのポリシリコン製トラックの上には、金属1からなる余分の接続端子が、
NMOS構造に沿って存在している。The connection (18) from the gate of the transistor to the interconnect channel (FIGS. 7a and 8)
) Are made on both sides of the NMOS structure to facilitate pad access. By doing so, it is possible to clear the technical restriction that the metal 1 / polysilicon contact cannot generally be placed on the active region of the transistor.
On the polysilicon track of the gate, an extra connection terminal made of metal 1
Present along the NMOS structure.
【0046】 ほぼ閉じたリング構造(図8)の中で、外部トランジスタのソース(10)と
、P+を拡散した保護リング(11)とが、全体を取り囲んでいる。そのため、
I/Oパッドに付随して設けられる入力/出力保護構造の場合と同様に、ときた
ま発生する静電放電の影響をより受けにくくなっている。この保護リング(11
)(図8)は、アレイ内の隣接するNMOS構造が共有している。 NMOS構造間には金属1のトラックを追加して、制御信号相互接続のための
別の経路を提供するとよい。In the substantially closed ring structure (FIG. 8), the source (10) of the external transistor and the protection ring (11) in which P + is diffused surround the whole. for that reason,
As in the case of the input / output protection structure provided in association with the I / O pad, it is less susceptible to occasional electrostatic discharge. This protection ring (11
) (FIG. 8) are shared by adjacent NMOS structures in the array. Metal 1 tracks may be added between the NMOS structures to provide another path for control signal interconnects.
【0047】 使われているNMOS構造の特徴は、(低濃度の不純物をウエルに拡散させる
というCMOS技術プロセスにおいて可能な方法によって)わずかにドープされ
た領域を有する側部トランジスタがドレイン領域とソース領域の両方を流れる電
流の通過経路内にあって、ゲート酸化膜の下にある面における電場のピーク値を
小さくしている点である。したがって、低インピーダンスの帯域通過トランジス
タとして使われている一対の基本LDSDデバイスは、どちらもフローティング
ドレイン電極とフローティングソース電極を持ち、それゆえ、両方の電極で基板
よりも十分に高い電圧に耐えることができる。The feature of the NMOS structure used is that the side transistors with lightly doped regions (due to the possible diffusion of lightly doped impurities into the CMOS technology process) have drain and source regions. Is that the peak value of the electric field on the surface below the gate oxide film in the passage of the current flowing through both of them is reduced. Thus, a pair of elementary LDSD devices used as low impedance bandpass transistors both have a floating drain electrode and a floating source electrode, and therefore both electrodes can withstand sufficiently higher voltages than the substrate. it can.
【0048】 使われているLDSDのNMOSトランジスタは、絶縁破壊電圧を考慮して、
わずかにドープされたウエルのマスクに対してゲートマスクをシフトさせること
により最適化した。そうすることで、表面の電場のピーク値を小さくする効果が
大きくなる。こうして、基本LDSDトランジスタをもとにした、GSLDSD
と呼ばれるデバイスが得られる。GSLDSDというのは、ゲートシフテッドL
DSDの頭文字を取った略語であり、低インピーダンスの帯域通過トランジスタ
として用いられる。したがってこのトランジスタのフローティングドレイン電極
とフローティングソース電極は、基板よりも高い電圧に耐えることができる。こ
の構造については、次の段落で詳細に説明する。The LDSD NMOS transistor used is designed in consideration of the breakdown voltage.
Optimized by shifting the gate mask relative to the lightly doped well mask. By doing so, the effect of reducing the peak value of the electric field on the surface increases. Thus, the GSLDSD based on the basic LDSD transistor
A device called is obtained. GSLDSD is a gate-shifted L
Abbreviation for DSD, used as a low-impedance band-pass transistor. Therefore, the floating drain electrode and floating source electrode of this transistor can withstand a higher voltage than the substrate. This structure is described in detail in the next paragraph.
【0049】 [1.B. GSLDD/GSLDSDのNMOSトランジスタ] ゲートシフテッドLDSDまたはゲートシフテッドLDSD(GSLDDまた
はGSLDSD)NMOSトランジスタの1つの特徴は、CMOS技術における
のと同様、ゲート電極がN型ウエルの側部拡散領域(31)と一直線に揃ってい
ることである。その様子が、図9に示してある。[1. B. GSLDD / GSLDSD NMOS Transistor] One feature of the gate-shifted LDSD or gate-shifted LDSD (GSLDD or GSLDSD) NMOS transistor is that the gate electrode has an N-type side diffusion region (31) as in CMOS technology. And that they are aligned. This is shown in FIG.
【0050】 図9は、GS−NMOSトランジスタからなる基本NMOS構造の一例の断面
図である。この構造は、P型基板にN型ウエルを拡散させるという、従来の任意
のCMOS技術における製造プロセスを変えることなしに得ることができる。ソ
ース/ドレイン(27)は、高濃度の不純物を拡散させたN+拡散領域(28)
からなる。この領域は、従来技術で知られている標準的NMOSトランジスタの
ドレインとソースとして一般に使われている。従来技術のN型ウエル(26)に
は低濃度の不純物を拡散させるが、このN型ウエルは、通常は従来技術で知られ
るPMOSトランジスタの基板として使われる。なおN型ウエルの不純物濃度は
、基板とオーダーは同じだが基板の濃度よりはわずかに高いことを特徴とする。
このN+拡散領域(28)とこのデバイスのチャネルの間で、キャリアが、LO
COS(シリコンの局所的酸化)として一般に知られるプロセスによって形成し
たフィールド酸化物(29)の下にあるドリフト領域を横断して、N型ウエル拡
散領域(26)の金属接合の端部に達する。FIG. 9 is a cross-sectional view of an example of a basic NMOS structure including a GS-NMOS transistor. This structure can be obtained without changing the manufacturing process in any conventional CMOS technology of diffusing an N-type well into a P-type substrate. The source / drain (27) is an N + diffusion region (28) in which a high concentration impurity is diffused.
Consists of This region is commonly used as the drain and source of standard NMOS transistors known in the prior art. A low concentration impurity is diffused into the prior art N-well (26), which is typically used as the substrate of a PMOS transistor known in the prior art. The impurity concentration of the N-type well is the same as that of the substrate, but is slightly higher than that of the substrate.
Between the N + diffusion region (28) and the channel of the device, carriers
Across the drift region under the field oxide (29) formed by a process commonly known as COS (local oxidation of silicon), the end of the metal junction of the N-type well diffusion region (26) is reached.
【0051】 ゲート(32)の配置に独創性を主張しており、同じ技術で得られる従来のN
MOSトランジスタや古典的なLDSDトランジスタにおけるよりもはるかに高
い電圧でなだれ増幅による絶縁破壊が起こるようになる。ポリシリコン製ゲート
(32)が、数百オングストロームと薄いゲート酸化物(30)の上にかぶせら
れている。ゲート(32)の端部を、N型ウエル(26)の側部拡散領域(31
)の上方でソース/ドレイン(27)の横となる位置(古典的なLDSDトラン
ジスタでは、N型ウエルのマスクときっちり揃っている)に置くことにより、従
来のNMOSトランジスタや古典的なLDSDトランジスタにおけるよりも高い
電圧で、デバイスの絶縁破壊を起こすシリコンの臨界電場に到達するようにする
ことが可能である。したがって、このデバイスのマスクのレイアウトとポリシリ
コン製のN型ウエルのマスクは、決してぴったり重なることはなく、出願人が“
ゲートシフト”と呼ぶことを提案しているものによって分離されている。この“
ゲートシフト”によって、このタイプの半導体デバイスとして提案する、ゲート
シフテッドNMOS、つまりGS−NMOSという名称が生まれた。ここで論じ
ている構造は古典的なLDSDトランジスタに基づいているため、上で説明した
のとまったく同じゲート構造を有する半導体デバイスのことを、以後は、ゲート
シフテッドLDSDのNMOS、すなわちGSLDSDのNMOSと呼ぶことに
する。The original arrangement of the gate (32) is claimed, and the conventional N
Avalanche amplification causes dielectric breakdown at much higher voltages than in MOS transistors and classic LDSD transistors. A polysilicon gate (32) is overlaid on the gate oxide (30), which is as thin as several hundred angstroms. The end of the gate (32) is connected to the side diffusion region (31) of the N-type well (26).
) Above and next to the source / drain (27) (in a classic LDSD transistor, it is exactly aligned with the mask of an N-type well) so that it can be used in a conventional NMOS transistor or a classical LDSD transistor. At higher voltages, it is possible to reach the critical electric field of silicon which causes device breakdown. Therefore, the layout of the mask of this device and the mask of the N-type well made of polysilicon never overlap, and the applicant has stated,
It is separated by what it proposes to call a "gate shift."
The term "gate shift" has given rise to the name of a gate-shifted NMOS, or GS-NMOS, proposed as a semiconductor device of this type. The structure discussed here is based on a classic LDSD transistor and is described above. The semiconductor device having the same gate structure as that described above is hereinafter referred to as a gate-shifted LDSD NMOS, that is, a GSLDSD NMOS.
【0052】 上記マスク間の距離が大きくなるほど、トランジスタの絶縁破壊電圧は大きく
なる。この距離がそれほど大きくなくてゲートの端部が側部拡散領域(31)と
重ならなくなった場合には、チャネルの形成が確実に妨げられることになろう。
デバイス内のチャネル形成に影響を与えることなく技術的に可能な限り絶縁破壊
電圧を増加させるためには、利用する技術にもよるが、ゲートシフトの許容誤差
として数百ナノメートルが必要となろう。[0052] As the distance between the masks increases, the breakdown voltage of the transistor increases. If the distance is not so great that the edge of the gate no longer overlaps the side diffusion region (31), the formation of the channel will be reliably prevented.
To increase the breakdown voltage as technically as possible without affecting channel formation in the device, gate shift tolerances of several hundred nanometers will be required, depending on the technology used. .
【0053】 GSLDSDのドレイン(35)の構成は、あらゆる点でソース/ドレイン(
27)の構成と同じであり、ゲートシフトは、ソース/ドレイン(27)の側と
ドレイン(35)の側の両方にあることが望ましい。もしデバイスが切り離しの
際に対称であれば、ドレイン側とソース側の両方で電圧に関して同じ耐久性が得
られる。そのため、このデバイスがハイサイドトランジスタの特性を有すること
になる。製造にあたって、互いに隣接するN型ウエル(26)と(37)の距離
が許容可能な最小値となるよう厳密に管理することが重要であることに注意され
たい。上記の拡散領域間の距離は、N型ウエル用マスク内におけるその拡散領域
の大きさを決めている長方形区画間の距離に応じて調整し、デバイスがパンチス
ルー状態にならないようにする必要がある。The configuration of the drain (35) of the GSLDSD is in all respects a source / drain (
It is the same as the configuration of 27), and it is desirable that the gate shift is on both the source / drain (27) side and the drain (35) side. If the device is symmetrical at the time of disconnection, the same voltage endurance is obtained on both the drain and source sides. Therefore, this device has characteristics of a high-side transistor. It should be noted that in manufacturing, it is important to strictly control the distance between adjacent N-type wells (26) and (37) to an acceptable minimum value. The distance between the diffusion regions must be adjusted according to the distance between the rectangular sections that determine the size of the diffusion region in the N-type well mask so that the device does not punch through. .
【0054】 ローサイドトランジスタを有するNMOS構造では、GS−NMOSトランジ
スタのソースは、N+拡散領域(39)のみで構成するとよい。このトランジス
タのことを、以後、GSLDD NMOSと呼ぶことにする。というのも、この
トランジスタは、LDD NMOSの古典的な構成に基づいているからである。
この場合、ソース電極(40)は、従来技術で知られている第1の金属レベルに
より、従来技術で知られているPMOSトランジスタのドレインとソースの拡散
領域に通常使われている不純物濃度の高いP+拡散領域(41)に接続された端
子(42)を通じ、基板(25)に電気的に接続することができる。この構成だ
と、オフ状態における許容可能な最大電圧は、GSLDSDで得られるのと同じ
値になる。In the NMOS structure having the low-side transistor, the source of the GS-NMOS transistor may be constituted only by the N + diffusion region (39). This transistor is hereinafter referred to as GSLDD NMOS. This is because this transistor is based on the classic configuration of an LDD NMOS.
In this case, the source electrode (40) has a high impurity concentration commonly used for the drain and source diffusion regions of the PMOS transistor known in the prior art due to the first metal level known in the prior art. Through a terminal (42) connected to the P + diffusion region (41), it can be electrically connected to the substrate (25). With this configuration, the maximum allowable voltage in the off state is the same as that obtained by GSLDSD.
【0055】 ゲートシフト技術を利用することは、一般的なLDSDデバイスと比べてGS
LDSDデバイスのオン状態の抵抗が大きくなることを意味する。というのも、
ドレイン電極とゲートの端部の間をキャリアが流れる経路を長くする必要がある
からである。 要するに、ゲート端部の下には、不純物濃度がウエル表面よりもはるかに低い
ウエルの側部拡散領域が存在しているため、GSLDD/GSLDSDデバイス
の絶縁破壊電圧は、古典的なLDD/LDSDデバイスにおけるよりも高くなる
。したがって、電場は古典的なデバイスにおけるよりもはるかに少量のドーピン
グがされた領域に存在することになるために広がり、従来よりもはるかに高いド
レイン−ソース電圧値が得られることになる。Utilizing the gate shift technology requires a GS compared to a general LDSD device.
This means that the on-state resistance of the LDSD device increases. Because
This is because it is necessary to lengthen a path through which carriers flow between the drain electrode and the end of the gate. In short, the breakdown voltage of the GSLDD / GSLDSD device is lower than that of the classical LDD / LDSD device because there is a well side diffusion region below the gate edge where the impurity concentration is much lower than the well surface. Higher than in. Thus, the electric field will spread because it will be in much less doped regions than in classical devices, resulting in much higher drain-source voltage values than before.
【0056】 [2. NMOS構造に基づいた回路] 電力制御、すなわちパワーデバイスの駆動に必要な回路であり、典型的には、
整流、クリップ、クランプ、調節、電圧レベルのシフト、電荷ポンプ、ブートス
トラップの各機能を実現する。 NMOS構造に基づいていて、しかも新規性があると主張しているこれら回路
のトポロジーの実例を以下に説明する。NMOS構造には、基本的に、1で記述
したLDSDのNMOSトランジスタが用いられる。LDMOSトランジスタを
用いてこの回路を製造するためのトポロジーの例についても記述する。 LDSDのNMOSトランジスタでは本体(P型)が基板と一致しているのに
対し、LDMOSトランジスタでは、本体(P型)が対応するソースに接続され
ていて、ドレイン電極およびソース電極と同様にP型基板に対してフローティン
グ状態になることを強調しておく必要がある。[2. Circuit based on NMOS structure] This is a circuit necessary for power control, that is, driving of a power device.
Provides rectification, clipping, clamping, adjustment, voltage level shifting, charge pump, and bootstrap functions. Examples of the topologies of these circuits, which are based on the NMOS structure and which claim to be novel, are described below. For the NMOS structure, basically, the LDSD NMOS transistor described in 1 is used. Examples of topologies for manufacturing this circuit using LDMOS transistors are also described. In the LDSD NMOS transistor, the body (P type) matches the substrate, whereas in the LDMOS transistor, the body (P type) is connected to the corresponding source, and the P type is the same as the drain electrode and the source electrode. It must be emphasized that the substrate becomes floating with respect to the substrate.
【0057】 使用するNMOS構造がLDSDのNMOSトランジスタに基づいている場合
、その構造を4つの端子を備えるシンボルで表現する。すると、本体は必然的に
基板に接続されることになる。もし使用するNMOS構造がLDMOSトランジ
スタに基づいている場合、(本体の)4番目の端子は、必然的にこのトランジス
タのソースに接続されることになる。この回路の機能がトランジスタの種類によ
らないのであれば、トランジスタは3端子のシンボルで表現し、トランジスタ本
体の端子を省略する。If the NMOS structure used is based on an LDSD NMOS transistor, the structure is represented by a symbol with four terminals. Then, the main body is inevitably connected to the substrate. If the NMOS structure used is based on an LDMOS transistor, the fourth terminal (of the body) will necessarily be connected to the source of this transistor. If the function of this circuit does not depend on the type of transistor, the transistor is represented by a three-terminal symbol, and the terminal of the transistor body is omitted.
【0058】 [2.A. ツェナー回路とツェナー整流器] 整流、クリップ、クランプ、調節を用途とする回路には、整流ダイオードまた
はツェナーダイオード(図10)が用いられており、その機能は、NMOS構造
を所定のトポロジーにすることでエミュレーションできる。 たいていのNMOS構造は、NMOSトランジスタを駆動する制御ブロック(
図11)を必要とする。多くの回路トポロジーでは、NMOS構造に固有の寄生
ダイオードを用いて所望の機能を実現している。制御回路は、通常は、2つの制
御ブロックを含んでいる。1つはアナログ/ディジタル制御ブロックである。こ
のブロックは従来の回路と制御技術を利用しており、この回路のグラウンドに接
続されていて低圧で動作する。もう1つはこの制御回路の出力ブロックである。
これはGゲイン増幅器であり、ローサイドトランジスタとハイサイドトランジス
タのいずれを備えていてもよく、この制御回路を動作させるのに適切なレベルの
電圧と電流を供給する。図11aと図11bは、上に説明した制御回路を回路図
として表現したものである。[2. A. Zener Circuit and Zener Rectifier] A rectifier diode or a zener diode (FIG. 10) is used in a circuit for rectification, clipping, clamping, and adjustment, and its function is to make an NMOS structure a predetermined topology. Can emulate. Most NMOS structures have a control block (for driving NMOS transistors).
FIG. 11) is required. In many circuit topologies, the desired function is realized by using a parasitic diode unique to the NMOS structure. The control circuit usually includes two control blocks. One is an analog / digital control block. This block utilizes conventional circuitry and control techniques and is connected to the ground of this circuitry and operates at low voltage. The other is an output block of this control circuit.
This is a G-gain amplifier, which may include either a low-side transistor or a high-side transistor, and provides appropriate levels of voltage and current to operate this control circuit. 11a and 11b are circuit diagrams of the control circuit described above.
【0059】 [2.A.1 ツェナー回路] ツェナー回路(図12、図13)は、PN接合(図10b)で実現されるツェ
ナーダイオードと同じ機能を有する。NMOSトランジスタを用いてツェナー回
路(図12はLDSDタイプ、図13はLDMOSタイプ)を実現するには、N
MOS構造(52/60)のドレイン電極(49)、ゲート電極(50)、ソー
ス電極(51)を、グラウンド(56)に接続された電気的制御回路(45/5
4)に接続する。一般に、LDSD構造用の制御回路は、LDMOS構造用の制
御回路とは異なることに注意されたい。しかし動作原理は同様であり、以下では
LDSDトランジスタについて記述することにする。[2. A. 1 Zener Circuit] The Zener circuit (FIGS. 12 and 13) has the same function as the Zener diode realized by the PN junction (FIG. 10B). To realize a zener circuit (LDSD type in FIG. 12 and LDMOS type in FIG. 13) using NMOS transistors, N
The drain electrode (49), the gate electrode (50), and the source electrode (51) of the MOS structure (52/60) are connected to an electric control circuit (45/5) connected to the ground (56).
Connect to 4). Note that in general, the control circuit for the LDSD structure is different from the control circuit for the LDMOS structure. However, the operation principle is the same, and the LDSD transistor will be described below.
【0060】 制御回路(45)の動作はプログラム可能であり、以下のように動作する。す
なわち、NMOS構造(52)のゲートG(50)とソースS(51)間の電圧
値を制御することによって、ドレインD(49)とソースS(51)間の電圧値
を所望のツェナー電圧値にする。ツェナー回路においてこの値をプログラムする
には、制御回路の参照信号入力(46)に、電圧または電流として、アナログま
たはディジタルの参照信号Refを入力する。The operation of the control circuit (45) is programmable and operates as follows. That is, by controlling the voltage value between the gate G (50) and the source S (51) of the NMOS structure (52), the voltage value between the drain D (49) and the source S (51) is changed to a desired Zener voltage value. To To program this value in the Zener circuit, an analog or digital reference signal Ref is input as a voltage or current to the reference signal input (46) of the control circuit.
【0061】 制御回路(45)は、ドレイン(49)とソース(51)間の電圧をモニタし
てNMOS構造のゲート(50)に作用を及ぼし、NMOSトランジスタ(47
)のオン状態の抵抗値を制御する。ドレインD(49)とソースS(51)間の
電圧値VDSがプログラムされた値を超えたときには、制御回路がトランジスタ(
47)の導電性を向上させてVDSが所定の値に保たれるようにする。VDSが制御
回路にプログラムされた値よりも低い場合には、NMOS構造(52)の内部で
電力が消費されることはなく、ツェナー回路内の電流は最小値を取る。これは、
制御回路のバイアス電流と同じ値になるはずである。The control circuit (45) monitors the voltage between the drain (49) and the source (51), acts on the gate (50) of the NMOS structure, and controls the NMOS transistor (47).
) Controls the on-state resistance value. When the voltage value V DS between the drain D (49) and the source S (51) exceeds the programmed value, the control circuit turns on the transistor (
47) The conductivity is improved so that V DS is maintained at a predetermined value. If V DS is lower than the value programmed in the control circuit, no power is consumed inside the NMOS structure (52) and the current in the zener circuit takes a minimum value. this is,
It should be the same value as the bias current of the control circuit.
【0062】 [2.A.2. 整流回路] 整流ダイオード(図10a)の動作と、整流ダイオードとツェナーダイオード
の組み合わせ(図10c)の動作は、もしNMOS構造(52)と(60)のト
ランジスタのサイズが正しければ、図14、図15、図16、図17のクリッピ
ング回路によってエミュレーションされる。[2. A. 2. Rectifier Circuit] The operation of the rectifier diode (FIG. 10a) and the operation of the combination of the rectifier diode and the zener diode (FIG. 10c) are described in FIGS. 14 and 10 if the sizes of the transistors of the NMOS structures (52) and (60) are correct. 15, and emulated by the clipping circuit of FIGS.
【0063】 図10cに示した、直列接続された整流ダイオードとツェナーダイオードの動
作は、増幅器(G)とモニタ制御回路(図11)とを備える制御ユニット(45
)を用いて再現することができる。この回路は、図14に示したように、LDS
DのNMOSトランジスタに基づいたNMOS構造(52)を用いて実現できる
。この回路は、図15に示したNMOS構造用のLDMOSトランジスタに基づ
いて実現することもできる。この場合、同様の制御ユニット(54)が使われて
いる。The operation of the series-connected rectifier diode and zener diode shown in FIG. 10C is performed by a control unit (45) including an amplifier (G) and a monitor control circuit (FIG. 11).
) Can be reproduced. This circuit, as shown in FIG.
This can be realized by using the NMOS structure (52) based on the D NMOS transistor. This circuit can also be realized based on the LDMOS transistor for the NMOS structure shown in FIG. In this case, a similar control unit (54) is used.
【0064】 LDSDタイプのNMOSトランジスタに基づいたNMOS構造(52)は、
仕様の範囲内でフローティングで動作する必要がある。ダイオードの構成にされ
たNMOS構造内のトランジスタのドレイン電極、ゲート電極、ソース電極は、
グラウンド端子GND(56)に対して常に正の電圧で動作せねばならない。制
御回路(45)内の駆動回路Gは、等価アノード(A’)(49)と等価カソー
ド(K’)(51)の間にかかる電圧により制御されるソース(51)とゲート
(50)の間に十分な電圧を印加することによって、NMOS構造(52)のイ
ンピーダンスを小さくするよう機能する。実際、A’(49)の電圧がK’(5
1)の電圧よりも大きくなったとき、制御回路は、フォーワードバイアストダイ
オードをエミュレートする動作を行う。他方、A’(49)の電圧がK’(51
)の電圧よりも小さくなったときには、制御回路は、トランジスタ(47)をカ
ットオフ状態にするように動作する。これは、逆バイアス下におけるダイオード
と等価である。ダイオードの効果が要求される多くの用途において、低圧で動作
するGゲイン制御回路(45)は必要なくなり、図16と図17に示したように
、ドレイン(49)とゲート(50)間、またはドレイン(49)とソース(5
1)間の短絡回路に還元される。An NMOS structure (52) based on an LDSD type NMOS transistor is:
Must operate floating within specifications. The drain electrode, gate electrode, and source electrode of the transistor in the NMOS structure configured as a diode are:
It must always operate at a positive voltage with respect to the ground terminal GND (56). The drive circuit G in the control circuit (45) includes a source (51) and a gate (50) controlled by a voltage applied between the equivalent anode (A ') (49) and the equivalent cathode (K') (51). By applying a sufficient voltage in between, it functions to reduce the impedance of the NMOS structure (52). In fact, the voltage of A '(49) is K' (5
When the voltage becomes larger than the voltage of 1), the control circuit performs an operation of emulating the forward biased diode. On the other hand, when the voltage of A '(49) is K' (51)
When the voltage becomes lower than the voltage of ()), the control circuit operates to set the transistor (47) to the cutoff state. This is equivalent to a diode under reverse bias. In many applications where the effect of a diode is required, the G gain control circuit (45) operating at a low voltage is not necessary, and as shown in FIGS. 16 and 17, between the drain (49) and the gate (50), or Drain (49) and source (5
It is reduced to a short circuit between 1).
【0065】 [2.B レベルシフター] スマートパワー回路で頻繁に用いられるレベルシフターには、図18に示した
ように、高圧のPMOSまたはPNPトランジスタと、高圧のNMOSまたはN
PNトランジスタが用いられている。低インピーダンス経路が交互に動作状態に
される。[2. B level shifter] The level shifter frequently used in the smart power circuit includes a high-voltage PMOS or PNP transistor and a high-voltage NMOS or N as shown in FIG.
A PN transistor is used. The low impedance paths are activated alternately.
【0066】 権利を主張しているトポロジーは、レベルシフターをエミュレートするもので
、図19と図20に示したように、NMOS構造だけを使って2つの低インピー
ダンス経路を実現している。このNMOS構造には、NMOSトランジスタ(7
8、79、80)、抵抗器R1とR2、ツェナーダイオードDZ、整流ダイオー
ドDRが含まれている。抵抗器R2、ツェナーダイオードDZ、整流ダイオード
DR、またはこれらの一部は、構成によっては省略することができ、したがって
特定の用途に適した様々な回路を製造することができる。The claimed topology emulates a level shifter and implements two low impedance paths using only NMOS structures, as shown in FIGS. 19 and 20. This NMOS structure includes an NMOS transistor (7
8, 79, 80), resistors R1 and R2, a Zener diode DZ, and a rectifier diode DR. The resistor R2, the Zener diode DZ, the rectifier diode DR, or some of them can be omitted in some configurations, and thus various circuits suitable for a particular application can be manufactured.
【0067】 制御信号(71)は、インターフェースブロック(70)の回路D1、D2に
作用して、NMOS構造の高圧トランジスタ(78)(79)を駆動する。回路
D1、D2における相対的遅延時間ならびに最大の電流値と電圧値は、用途に応
じてそれぞれ特別の設計にする。用途によっては、インターフェースブロック(
70)の回路D1、D2を互いに並列にして、単一のインターフェース回路(G
1=G2)として用いることができる。The control signal (71) acts on the circuits D 1 and D 2 of the interface block (70) to drive the NMOS high voltage transistors (78) and (79). The relative delay time and the maximum current value and voltage value in the circuits D1 and D2 are respectively specially designed according to the application. In some applications, the interface block (
70) are connected in parallel with each other to form a single interface circuit (G
1 = G2).
【0068】 この段落では、図19の回路の動作を説明する。制御信号(71)が論理値1
のとき、トランジスタ(78)(79)は導通状態にあり、トランジスタ(80
)は、ゲート(81)の電圧値がほとんどグラウンド電位(74)であるために
オフの状態にある。グラウンド端子(74)への低インピーダンスのOUT経路
(73)が、トランジスタ(79)によって実現される。制御信号(71)が論
理値0のとき、トランジスタ(78)(79)は高インピーダンスとなり、トラ
ンジスタ(80)のゲート(81)は、VZ=HV×R2/(R1+R2)とい
う最低の電圧値になる。するとトランジスタ(80)がこの回路のHV端子(7
2)と出力用OUT端子(73)の間に低インピーダンスの経路を形成する。こ
の状態は、HV×R2/(R1+R2)−VT(80)すなわちVZ−VT(80
)よりも低い出力電圧OUT(73)のときに相当する。なおこの式でVT(8
0)は、トランジスタ(80)のゲートとソースの間の導通閾電圧値である。In this paragraph, the operation of the circuit of FIG. 19 will be described. The control signal (71) has a logical value of 1
At this time, the transistors (78) and (79) are conducting, and the transistor (80)
) Is off because the voltage value of the gate (81) is almost at the ground potential (74). A low impedance OUT path (73) to the ground terminal (74) is realized by the transistor (79). When the control signal (71) has a logical value of 0, the transistors (78) and (79) have high impedance, and the gate (81) of the transistor (80) has the lowest voltage value of V Z = HV × R2 / (R1 + R2). become. Then, the transistor (80) is connected to the HV terminal (7
A low impedance path is formed between 2) and the output OUT terminal (73). This state is represented by HV × R2 / (R1 + R2) −V T (80), that is, V Z −V T (80
) Is lower than the output voltage OUT (73). Note that V T (8
0) is the conduction threshold voltage between the gate and the source of the transistor (80).
【0069】 この段落では、抵抗器R2を除いた構成にした場合の図19の回路の機能を説
明する。図19では参照記号DZで示したツェナーダイオードまたはツェナー回
路のカソードがトランジスタ(80)のゲート(81)とグラウンド端子GND
(74)の間に接続されたとき、このツェナー回路は、上で説明したのと同じよ
うにして動作し、出力電圧OUT(73)の最終値は、VZ−VT(80)に制限
されることになる。この値は、供給電圧(72)の値HVとは独立である(HV
がVZよりも大きい場合)。In this paragraph, the function of the circuit in FIG. 19 when the configuration is such that the resistor R2 is omitted will be described. In FIG. 19, the cathode of the Zener diode or Zener circuit indicated by reference symbol DZ is the gate (81) of the transistor (80) and the ground terminal GND.
When connected between the (74), the Zener circuit limit, operates in the same manner as described above, the final value of the output voltage OUT (73) is a V Z -V T (80) Will be done. This value is independent of the value HV of the supply voltage (72) (HV
Is greater than V Z ).
【0070】 抵抗器R2とツェナーダイオードDZが回路から除かれていると、出力電圧O
UT(73)の最終値の最大値は、HV−VT(80)に制限される。したがっ
て上に説明した条件におけるこの最終値は、HVからの供給電圧(72)によっ
て決まることになる。When the resistor R2 and the Zener diode DZ are removed from the circuit, the output voltage O
The maximum value of the final value of UT (73) is limited to HV-V T (80). Therefore, this final value under the conditions described above will depend on the supply voltage (72) from the HV.
【0071】 本明細書で権利を主張している回路のトポロジーは、LDSDのNMOSタイ
プ(図19)またはLDMOSタイプ(図20)の高圧NMOSトランジスタを
用いて製造することができる。LDMOSトランジスタを用いて製造したレベル
シフター回路も、トポロジー中にダイオードDRを含んでいる。図19と図20
に示したトポロジーが両方とも同じように動作するためにはこの素子が含まれる
ことが必要で、その結果、トランジスタ(79)がオフ状態のときに出力端子O
UT(73)の電圧がHVよりも大きな値を取れるようになる。The circuit topology claimed herein can be fabricated using high voltage NMOS transistors of the LDSD NMOS type (FIG. 19) or LDMOS type (FIG. 20). The level shifter circuit manufactured using the LDMOS transistor also includes the diode DR in the topology. FIG. 19 and FIG.
This element must be included for both topologies shown to work the same, so that when the transistor (79) is off, the output terminal O
The voltage of the UT (73) can take a value larger than HV.
【0072】 権利を主張している回路の最終出力電圧OUT(73)は、ハイサイド位置(
図18参照)では、PMOSまたはPNPトランジスタを用いて製造した回路よ
りもわずかに低いが、この回路は、レベルシフター回路を必要とする非常に多く
の用途に使用することができる。上で説明したように、権利を主張しているトポ
ロジーの最大最終出力電圧をプログラムできるということが、図18に示した従
来のトポロジーと比べた場合の利点である。The final output voltage OUT (73) of the claimed circuit is at the high side position (
In FIG. 18), which is slightly lower than a circuit made using PMOS or PNP transistors, this circuit can be used in a great many applications requiring level shifter circuits. As explained above, the ability to program the maximum final output voltage of the claimed topology is an advantage over the conventional topology shown in FIG.
【0073】 図19と図20に示したレベルシフター回路(77)も、図21に示したよう
に連続電圧用レベルシフターとして動作する。例えば、特殊な構成で制御信号入
力の端子(71)が常にGND(74)に接続されている場合、出力値OUTは
、上に説明したように、ツェナー回路内にプログラムされた電圧値、すなわちH
Vに比例した電圧値に制限されることになる。この構成では、回路はHVをもと
にした補助の連続電圧源として動作する。この構成は、電荷ポンプ回路やブート
ストラップ回路における補助の電力源として使うことができる。この点について
は、2.C.1と2.C.2で説明する。The level shifter circuit (77) shown in FIGS. 19 and 20 also operates as a continuous voltage level shifter as shown in FIG. For example, if the control signal input terminal (71) is always connected to GND (74) in a special configuration, the output value OUT will be the voltage value programmed in the Zener circuit, that is, H
The voltage value is limited to a voltage value proportional to V. In this configuration, the circuit operates as an auxiliary continuous voltage source based on HV. This configuration can be used as an auxiliary power source in a charge pump circuit or a bootstrap circuit. Regarding this point, 2. C. 1 and 2. C. This will be described in 2.
【0074】 [2.C 駆動回路] [2.C.1 キャパシタ型電荷ポンプ回路] キャパシタ型電荷ポンプ回路の動作原理を図22と図23に示す。図22aの
基本回路は、少なくとも2つの整流器と、2つのキャパシタと、補助電圧源VAU X から電力を供給されるLS(レベルシフター)インターフェース回路(77)
とを備えている。LSインターフェース回路(77)への入力信号CLK(80
)は、クロック(81)から来る。このクロックは、通常は、小さな振幅の矩形
波を発生させる。LSインターフェース回路(77)の出力信号(82)は、回
路のサイズと用いられているNMOS構造の特性によって決まり、その値はVAU X 以下である。キャパシタCTKを、直列に接続した整流ダイオードの両端(84
)と(85)にまたがるように接続することができる。その様子が、点線で示し
てある。或いはキャパシタCTKは、出力端子(85)とグラウンド端子GND(
74)の間に接続することもできる。どちらにするかは、用途による。[2. C drive circuit] [2. C. 1 Capacitor Type Charge Pump Circuit] FIGS. 22 and 23 show the operation principle of the capacitor type charge pump circuit. Basic circuit of Figure 22a comprises at least two rectifiers, two capacitors, LS to which electric power is supplied from the auxiliary voltage source V AU X (level shifter) interface circuit (77)
And The input signal CLK (80) to the LS interface circuit (77)
) Comes from the clock (81). This clock usually produces a small amplitude rectangular wave. LS interface circuit output signal (77) (82) is determined by the characteristics of the NMOS structures used with the size of the circuit, the value is less than V AU X. The capacitor C TK is connected to both ends (84) of a rectifier diode connected in series.
) And (85). This is indicated by the dotted line. Alternatively, the capacitor C TK is connected to the output terminal (85) and the ground terminal GND (
74). Which one to use depends on the application.
【0075】 図22bは、理想的な素子を用いた場合、すなわちLSインターフェース回路
の飽和電圧がゼロで、理想的な整流器が用いられている場合の回路の応答経過(
縦軸に電圧、横軸に時間)を示している。この場合、ポンプサイクルが何回か終
了すると、CTKの両端の電圧VGは、2VAUXに向かう。このタイプの回路は、電
圧ダブラー回路として知られており、離散回路と集積回路の両方でしばしば用い
られている。FIG. 22 b shows the response course of the circuit when an ideal element is used, ie when the saturation voltage of the LS interface circuit is zero and an ideal rectifier is used (
The vertical axis indicates voltage, and the horizontal axis indicates time). In this case, when the pump cycle ends several times, the voltage V G of the both ends of the C TK is directed to 2V AUX. This type of circuit is known as a voltage doubler circuit and is often used in both discrete and integrated circuits.
【0076】 電荷ポンプ回路をできるだけ正確に設計するためには、LSインターフェース
回路(77)のNMOSトランジスタ(79)と(80)(図20)のドレイン
−ソース間の電圧値、整流ダイオードにおける電圧の降下、キャパシタの電荷損
失、素子同士を接続する際の損失を考慮する必要がある。通常は、LSインター
フェース回路(77)は、高圧源HVをもとにした補助電圧源VAUX(83)か
ら電力が供給される。この補助電圧源VAUX(83)は、LSインターフェース
回路(77)が出力(82)において信号を変えて、CTKにできるだけ早く、し
かもできるだけ効率的に充電するのに十分な電圧を供給する。In order to design the charge pump circuit as accurately as possible, the voltage value between the drain and source of the NMOS transistors (79) and (80) of the LS interface circuit (77) (FIG. 20) and the voltage of the rectifier diode It is necessary to consider the drop, the charge loss of the capacitor, and the loss when connecting the elements. Normally, the LS interface circuit (77) is supplied with power from an auxiliary voltage source V AUX (83) based on the high voltage source HV. This auxiliary voltage source V AUX (83) supplies a voltage sufficient for the LS interface circuit (77) to change the signal at the output (82) to charge C TK as quickly and as efficiently as possible.
【0077】 図19と図20に示した、高圧デバイスで構成されたLSインターフェース回
路は、図21に示したように、高圧源HVから、またはHVをもとにした補助電
圧源VAUXから直接に電力供給を受けることが可能である。これら回路は、LS
インターフェース回路(77)からの出力振幅(82)が極めて多様であるため
、論理CMOSセルを用いて製造した回路と比べて容量が小さい必要がある。こ
れら回路では、半導体デバイスは、LSインターフェース回路(77)の出力電
圧に電荷ポンプ回路の最終出力電圧VGの特性が反映されるような設計にするこ
とができる。As shown in FIG. 21, the LS interface circuit composed of the high-voltage device shown in FIGS. 19 and 20 is directly connected from the high-voltage source HV or from the auxiliary voltage source V AUX based on the HV. Power supply. These circuits are LS
Since the output amplitude (82) from the interface circuit (77) is extremely diversified, the capacity needs to be smaller than that of a circuit manufactured using a logic CMOS cell. In these circuits, the semiconductor device can be designed such properties of the final output voltage V G of the charge pump circuit to the output voltage of the LS interface circuit (77) is reflected.
【0078】 この原理を用いて実現した多段式の回路は、理想的な場合には、最終電圧値V G が、段の数に1を加えた値にVAUXを掛けた値になる。この回路は、一般に電圧
マルチプライアーとして知られている。図23は、電圧トリプラー回路を示して
いる。この回路は、図22aの回路と比べると、1つのレベルシフターLS(7
7)とダイオードD3と追加キャパシタCPP2からなる追加段を備えているが、
同様に動作する。理想的な素子で製造された回路は、最終電圧値VGが、3×VA UX となる。実際の素子を用いると、電圧VGは、上で説明した損失のためにこの
値よりもわずかに小さくなる。A multi-stage circuit realized using this principle has a final voltage value V G Is the value obtained by adding 1 to the number of steps.AUXMultiplied by. This circuit is generally
Also known as a multiplier. FIG. 23 shows a voltage tripler circuit.
I have. This circuit has a single level shifter LS (7
7), diode D3 and additional capacitor CPP2Although there is an additional stage consisting of
It works similarly. A circuit manufactured with ideal elements has a final voltage value VGIs 3 × VA UX Becomes When an actual device is used, the voltage VGHas this problem due to the loss described above
Slightly smaller than the value.
【0079】 図22aと図23の回路を用いて電荷ポンプ回路の動作原理を説明した。電荷
ポンプ回路は、フローティング電圧源の構成にすることができる。VAUXとの接
続が切れたダイオードD1のアノードは、フローティング電圧源FPSのマイナ
ス極となり、図22aのダイオードD2のカソードまたは図23のダイオードD
3のカソードは、プラス極となる。キャパシタCTKは、この電力源のマイナス極
(84)とプラス極(85)の間、または、プラス極(85)とグラウンド(7
4)の間に接続することができる。このタイプの回路(FPS)は、高圧回路か
らの供給電圧よりも高い電圧を発生させるためと、ハイサイドまたはローサイド
の構成にしたNMOSパワートランジスタのゲートに電流を注入するのに使われ
る電流源に電力を供給するために、しばしば用いられている。これについては、
2.C.2で説明する。The operating principle of the charge pump circuit has been described with reference to FIGS. 22A and 23. The charge pump circuit can be configured as a floating voltage source. The anode of the diode D1 disconnected from V AUX becomes the negative pole of the floating voltage source FPS, and the cathode of the diode D2 in FIG. 22A or the diode D in FIG.
The cathode of No. 3 becomes a positive pole. The capacitor C TK is connected between the negative pole (84) and the positive pole (85) of this power source or between the positive pole (85) and the ground (7).
4) can be connected. This type of circuit (FPS) is a current source used to generate a voltage higher than the supply voltage from the high voltage circuit and to inject current into the gate of a high side or low side NMOS power transistor. Often used to supply power. For this,
2. C. This will be described in 2.
【0080】 図24、図25、図26には、本明細書で権利を主張しているトポロジーの例
がいくつか示されている。これらトポロジーは、フローティング電圧源として動
作するもので、NMOS構造だけを利用している。すなわち、整流ダイオードと
ツェナーダイオードが2.Aに説明したように構成されている。使われているイ
ンターフェース回路は、2.Bと2Cで説明したものである。キャパシタは、集
積化してもしなくてもよい。基本的に、これら回路は、LDSDまたはLDMO
S NMOSトランジスタを含むNMOS構造で構成されたレベルシフター回路
を利用している。基本構造は図27に示したものであり、そこから、この明細書
で主張している電荷ポンプ回路のトポロジーが容易に得られる。FIGS. 24, 25 and 26 show some examples of topologies claimed herein. These topologies operate as floating voltage sources and utilize only NMOS structures. In other words, the rectifier diode and the zener diode are used for 2. A is configured as described above. The interface circuits used are: B and 2C. The capacitors may or may not be integrated. Basically, these circuits are LDSD or LDMO
A level shifter circuit having an NMOS structure including an S NMOS transistor is used. The basic structure is shown in FIG. 27, from which the topology of the charge pump circuit claimed in this specification can easily be obtained.
【0081】 [2.C.2 キャパシタ型ブートストラップ回路] 図28aは、文献に記載されたキャパシタ型ブートストラップ回路の典型的な
電気回路レイアウトを示している。この回路は、典型的には、キャパシタCBoot (93)と、インターフェース回路BH(91)およびBL(99)(BHとB
Lは、それぞれバッファハイサイドとバッファローサイド)と、抵抗器RBoot(
92)と、制御用トランジスタMC(98)と、2つのパワートランジスタML
(89)およびMH(88)とからなる。この回路の動作はキャパシタCBoot(
93)に蓄積された電荷に基づいて決まり、十分な電圧がその両端子間に維持さ
れるようにしている。したがって、インターフェース回路BH(91)に対して
フローティング状態での電力供給がなされ、このインターフェース回路BHがN
MOSパワートランジスタMH(88)の駆動回路として機能し、このトランジ
スタのオン状態を制御する。トランジスタMC(98)のドレインと抵抗器RBo ot (92)の一方の端子は、インターフェース回路BH(91)の入力に接続さ
れて、レベルシフターを構成している。キャパシタCBoot(93)により形成さ
れるフローティング電圧源のマイナス端子は、トランジスタMH(88)のソー
ス電極(90)に接続されている。供給電圧VAUX(95)は、通常はこの論理
回路への供給電圧よりも高いが、一対のパワートランジスタMH(88)とML
(89)の出力レベルを決めている高圧電源HV(101)の電圧よりも低くす
ることができる。VAUX(95)は、2.Bで説明したように、高圧電源に基づ
いて発生させることができる。その値は、パワートランジスタMH(88)が完
全導通状態になるよう、VGS(MH)(102)に印加される電圧値に合った値
になっていなくてはならない。[2. C. 2 Capacitor Bootstrap Circuit] FIG. 28a shows a typical electric circuit layout of the capacitor bootstrap circuit described in the literature. This circuit typically comprises a capacitor C Boot (93) and interface circuits BH (91) and BL (99) (BH and B
L is a buffer high side and a buffer low side, respectively, and a resistor R Boot (
92), a control transistor MC (98), and two power transistors ML
(89) and MH (88). The operation of this circuit is determined by the capacitor C Boot (
93), and a sufficient voltage is maintained between the two terminals. Therefore, power is supplied to the interface circuit BH (91) in a floating state, and this interface circuit BH
It functions as a drive circuit for the MOS power transistor MH (88) and controls the ON state of this transistor. Drain and one terminal of the resistor R Bo ot (92) of the transistor MC (98) is connected to the input of the interface circuit BH (91), constitute a level shifter. The negative terminal of the floating voltage source formed by the capacitor C Boot (93) is connected to the source electrode (90) of the transistor MH (88). The supply voltage V AUX (95) is usually higher than the supply voltage to this logic circuit, but a pair of power transistors MH (88) and ML
The voltage of the high-voltage power supply HV (101) that determines the output level of (89) can be made lower. V AUX (95) As described in B, it can be generated based on the high voltage power supply. The value must be a value that matches the voltage value applied to V GS (MH) (102) so that the power transistor MH (88) becomes fully conductive.
【0082】 キャパシタ型ブートストラップ回路は、一般に、動作周波数が決められていて
制御信号Ctrl(97)が周期的であるような用途で利用される。この回路の機
能を説明するために、図28bの制御信号Ctrl(97)の周期を3つのフェー
ズにはっきりと分けて考える。以下、この回路の状態をそれぞれのフェーズにつ
いて説明する。The capacitor-type bootstrap circuit is generally used in applications where the operating frequency is determined and the control signal C trl (97) is periodic. To illustrate the function of this circuit, consider the cycle of the control signal C trl (97) in FIG. 28b, clearly divided into three phases. Hereinafter, the state of this circuit will be described for each phase.
【0083】 [フェーズ1:キャパシタCBootの充電] このフェーズでは、制御信号Ctrl(97)がハイレベルにあり、パワートラ
ンジスタMC(98)とML(89)の導通を保証している。このフェーズにお
いて、キャパシタCBoot(93)は、ダイオードD1(94)を通じてほぼVAU X (95)の電圧値まで充電される。パワートランジスタMC(98)が導通し
ている間、インターフェース回路BH(91)はハイサイドトランジスタMH(
88)をカットオフ状態に維持し、トランジスタML(89)がグラウンド(1
00)への低インピーダンス経路Vout(90)を形成する。したがってキャパ
シタCBoot(93)が充電される。[Phase 1: Charging of Capacitor C Boot ] In this phase, the control signal C trl (97) is at the high level, and the conduction of the power transistors MC (98) and ML (89) is guaranteed. In this phase, the capacitor C Boot (93) is charged to substantially the voltage value of V AU X (95) through the diode D1 (94). While the power transistor MC (98) is conducting, the interface circuit BH (91) outputs the high-side transistor MH (
88) is kept in the cut-off state, and the transistor ML (89) is connected to the ground (1).
Forming a low impedance path V out (90) to V.00). Therefore, the capacitor C Boot (93) is charged.
【0084】 [フェーズ2:ブートストラップ動作の開始] このフェーズは、制御信号Ctrl(97)によって状態が変化することを特徴
とする。つまり制御信号Ctrl(97)が、論理値1から0に変わる。この段階
で、トランジスタML(89)とMC(98)がカットオフ状態になり、インタ
ーフェース回路BH(91)の入力信号はキャパシタCBoot(93)のプラス端
子の電位にとどまる。したがって、BHインターフェース(91)の出力信号(
102)がこの電圧となり、MHトランジスタ(88)が導通状態になる。電圧
Vout(90)は負荷の中を流れる電流とともに大きくなり、最終値HD−VDS
(MH)に達する。キャパシタCBoot(93)の両端子間の電圧は、トランジス
タMH(88)が導通している間を通じてほぼ一定に保たれる。トランジスタM
H(88)のゲートの電圧値VG(102)は、ほぼHV−VDS(MH)−VAUX に達する。この期間の間にダイオードD1(94)は極性が逆転し、電源VAUX
(95)と絶縁する。[Phase 2: Start of Bootstrap Operation] This phase is characterized in that the state is changed by the control signal C trl (97). That is, the control signal C trl (97) changes from the logical value 1 to 0. At this stage, the transistors ML (89) and MC (98) are cut off, and the input signal of the interface circuit BH (91) remains at the potential of the plus terminal of the capacitor C Boot (93). Therefore, the output signal of the BH interface (91) (
102) becomes this voltage, and the MH transistor (88) becomes conductive. The voltage V out (90) increases with the current flowing in the load, and the final value HD−V DS
(MH). The voltage between both terminals of the capacitor C Boot (93) is kept substantially constant while the transistor MH (88) is conducting. Transistor M
The gate voltage value V G (102) of H (88) almost reaches HV−V DS (MH) −V AUX . During this period, the polarity of the diode D1 (94) is reversed, and the power supply V AUX
(95).
【0085】 [フェーズ3:トランジスタMHの自由導通状態] このフェーズで、トランジスタMH(88)は自由な導通を開始する。トラン
ジスタMH(88)が導通状態にある間、キャパシタCBoot(93)は放電され
て、トランジスタMH(88)の駆動回路(91)に電流を供給する。このフェ
ーズが持続する時間の最大値は、キャパシタCBoot(93)がインターフェース
回路BH(91)に十分な電圧を供給し続けていて、そのことによって今度はそ
のインターフェース回路BH(91)がトランジスタMH(88)のゲートにお
ける電圧を維持し、その結果、トランジスタMH(88)が導電状態を持続して
いられる時間がどれくらいであるかによって決まる。キャパシタCBoot(93)
の放電は、電荷がトランジスタMH(88)のゲートに移動することと、寄生素
子によって起こる損失とに起因することに注意されたい。通常は、キャパシタC Boot (93)の大きさは、動作サイクルの間、このキャパシタの電圧がほんの1
0%だけ小さくなるよう設計される。[Phase 3: Free conduction state of transistor MH] In this phase, the transistor MH (88) starts free conduction. Tran
While the transistor MH (88) is conducting, the capacitor CBoot(93) is discharged
Thus, a current is supplied to the drive circuit (91) of the transistor MH (88). This fe
The maximum value of the duration of theBoot(93) is the interface
Circuit BH (91) continues to supply sufficient voltage, which in turn
Interface circuit BH (91) is connected to the gate of transistor MH (88).
Voltage, so that transistor MH (88) remains conductive
It depends on how long you can spend. Capacitor CBoot(93)
Discharge causes the charge to move to the gate of the transistor MH (88),
Note that the loss is caused by the child. Usually, the capacitor C Boot The magnitude of (93) is such that the voltage on this capacitor is only one during the operating cycle.
It is designed to be smaller by 0%.
【0086】 図28aに示した回路は、動作周波数がはっきりと決まっている用途に適して
いる。というのも、回路ごとにキャパシタCBoot(93)の適切な容量と動作周
波数を決める必要があるからである。この技術は、単純であり、少数の高圧素子
しか使わないのにトランジスタMH(88)に高周波数で整流機能を行なわせる
ことができるという利点を有する。しかし、トランジスタML(89)とMH(
88)の両方が同時に導通するという望ましからぬ状況が起こりうるので、少数
の用途に限られる。これに基づいて、より洗練された制御を行なうようにした回
路は、同時導通を避けることができるため、ハイサイドのフルブリッジとハーフ
ブリッジの構成に含まれるトランジスタに整流を行なわせるのに非常によく使わ
れる[13]。The circuit shown in FIG. 28a is suitable for applications where the operating frequency is well-defined. This is because it is necessary to determine an appropriate capacity and operating frequency of the capacitor C Boot (93) for each circuit. This technique has the advantage that it is simple and allows the transistor MH (88) to perform a rectifying function at a high frequency while using only a small number of high voltage elements. However, transistors ML (89) and MH (
88) is limited to a small number of applications because the undesirable situation of both conducting simultaneously can occur. Based on this, a circuit with more sophisticated control can avoid simultaneous conduction, so it is very necessary to make the transistors included in the high side full bridge and half bridge configuration rectify. Often used [13].
【0087】 図29は、本明細書で新規性があると主張している図28の回路とは異なった
トポロジーを示している。このトポロジーでは、NMOSトランジスタだけが使
われている。2.Bで説明したNMOSレベルシフターブロック(77)は、図
28aのインターフェースBH(91)に必要とされる機能を提供する。図28
aと図29に示したブートストラップ回路の制御回路(96)は、プログラムす
ることにより、トランジスタML(89)を駆動させてから適度に遅れてトラン
ジスタMH(88)が駆動するようにできるため、両者が同時に導通するのを避
けることができる。ダイオードD1(94)は、2.Aで説明したようにして製
造するか、または、ダイオードがあるプロセスで高圧に耐えられるPN接合を用
いて製造することができる。FIG. 29 shows a different topology than the circuit of FIG. 28, which is claimed herein to be novel. In this topology, only NMOS transistors are used. 2. The NMOS level shifter block (77) described in B provides the functions required for the interface BH (91) in FIG. 28a. FIG.
29A and the control circuit (96) of the bootstrap circuit shown in FIG. 29 can be programmed to drive the transistor ML (89) and then to drive the transistor MH (88) with an appropriate delay. Both can be prevented from conducting simultaneously. The diode D1 (94) has two components: It can be manufactured as described in A, or using a PN junction that can withstand high voltages in some process.
【0088】 図30aは、NMOSパワートランジスタMH(88)の導通を制御するため
のキャパシタ型ブートストラップ回路を製造するための別のトポロジーを示して
いる。この回路を構成するには、キャパシタCBoot(93)と、抵抗器RBoot(
92)と、2つのレベルシフターインターフェースLS1(77A)およびLS
2(77B)とが必要とされる。レベルシフターとしては、例えば上の2.Bで
説明したレベルシフター(77)が用いられる。この用途には、インターフェー
スLS1(77A)をプログラムして最終電圧VAUX(95)に達するようにす
る。これは、トランジスタMH(88)を完全に導通させるためにVGS(MH)
に印加すべき電圧値である。インターフェースLS2(77B)は、出力電圧が
、トランジスタMH(88)のドレインと、インターフェースLS1(77A)
およびLS2(77B)の両方に電圧を供給しているHV(72)(図28aの
101)にできるだけ近い値に到達するようにプログラムする。図30bは、ト
ランジスタMH(88)のオンとオフの1サイクルについて、制御信号Ctrl(
71)と、出力電圧Vout(90)と、トランジスタMH(88)のゲート電圧
(73)(図28aの102)の時間変化を示すグラフである。細かく検討する
ために、このサイクルを先程と同様に3つのフェーズに分割した。FIG. 30 a shows another topology for manufacturing a capacitor-type bootstrap circuit for controlling the conduction of the NMOS power transistor MH (88). To construct this circuit, a capacitor C Boot (93) and a resistor R Boot (
92) and two level shifter interfaces LS1 (77A) and LS
2 (77B) is required. As the level shifter, for example, 2. The level shifter (77) described in B is used. For this application, interface LS1 (77A) is programmed to reach final voltage V AUX (95). This is because V GS (MH) is required to make transistor MH (88) fully conductive.
Is the voltage value to be applied to. The interface LS2 (77B) has an output voltage between the drain of the transistor MH (88) and the interface LS1 (77A).
And LS2 (77B) are programmed to reach a value as close as possible to HV (72) (101 in FIG. 28a) supplying voltage. FIG. 30b shows the control signal C trl (for one cycle of turning on and off the transistor MH (88).
71 is a graph showing a time change of the output voltage V out (90) and the gate voltage (73) of the transistor MH (88) (102 in FIG. 28a). For further consideration, the cycle was divided into three phases as before.
【0089】 フェーズ1では、トランジスタMH(88)がオフ状態にある。インターフェ
ースLS1(77A)とLS2(77B)に入力される信号A(71A)と信号
A’(71A’)は、同時に1のレベルにあり、出力は、低いグラウンド電位(
74)(図28aの100)となっている。トランジスタMH(88)のゲート
(73)とソース(90)間の電圧VGS(MH)はほとんどゼロであり、負荷Z Load (104)の中をほとんど電流が流れていない。In phase 1, the transistor MH (88) is off. Interface
Signal A (71A) and signal input to the source LS1 (77A) and LS2 (77B)
A '(71A') is at the same time at 1 level and the output is low ground potential (
74) (100 in FIG. 28a). Gate of transistor MH (88)
(73) and the voltage V between the source (90)GS(MH) is almost zero, and the load Z Load Almost no current flows in (104).
【0090】 フェーズ2には、異なる2つの段階がある。第1段階は、キャパシタCBoot(
93)への充電に対応する。これは、制御信号A(71)が論理値1から論理値
0に変化した直後に起こる。この段階では、2.Bで説明したように、インター
フェースLS1(77A)の出力が、キャパシタCBoot(93)をインターフェ
ースLS1(VAUX)にプログラムされた電位まで充電するためのエネルギーを
供給する。それと同時に、トランジスタMH(88)のゲートとソース間のキャ
パシタ効果と等価なキャパシタも、インターフェースLS1(77A)の出力に
よって充電される。信号A’(71A’)は、インターフェースLS1(77A
)とLS2(77B)を通じてキャパシタCBoot(93)を充電するとともに、
このレイアウトの場合に決められている電圧値に達するのに十分な時間Δtにわ
たって論理値1にとどまるため、トランジスタMH(88)が導通するようにな
る。時間Δtが過ぎると、信号A’が論理値1から論理値0に変化し、このフェ
ーズの第2段階が始まる。この第2段階は、電圧VG(102)で特徴づけられ
る。ここでキャパシタCBoot(93)のマイナス端子は、抵抗器RBoot(92)
を通じてトランジスタMH(88)のソースの電位にされる。したがって、電圧
VGS(MH)はキャパシタCBoot(93)の電圧とほとんど等しくなり、高圧源
HV(72)がトランジスタMH(88)を通じて負荷ZLoad(104)に最大
電流を供給する。Phase 2 has two different phases. The first stage is the capacitor C Boot (
93). This occurs immediately after the control signal A (71) changes from the logical value 1 to the logical value 0. At this stage, 2. As described in B, the output of interface LS1 (77A) provides the energy to charge capacitor C Boot (93) to the potential programmed on interface LS1 (V AUX ). At the same time, a capacitor equivalent to the capacitor effect between the gate and the source of the transistor MH (88) is charged by the output of the interface LS1 (77A). The signal A ′ (71A ′) is supplied to the interface LS1 (77A
) And LS2 (77B) to charge capacitor C Boot (93),
In this layout, the transistor MH (88) becomes conductive because it stays at the logical value 1 for a time Δt sufficient to reach the voltage value determined in the layout. After the time Δt, the signal A ′ changes from the logical value 1 to the logical value 0, and the second phase of this phase starts. This second stage is characterized by the voltage V G (102). Here, the negative terminal of the capacitor C Boot (93) is connected to the resistor R Boot (92)
To the potential of the source of the transistor MH (88). Therefore, the voltage V GS (MH) is almost equal to the voltage of the capacitor C Boot (93), and the high voltage source HV (72) supplies the maximum current to the load Z Load (104) through the transistor MH (88).
【0091】 この回路の動作のフェーズ3は、図30bに示したように、電圧VG(73)
がほぼHV+VAUXという最終値に到達した後に信号Aと信号A’が論理値0に
とどまることを特徴とする。このフェーズは、信号Aと信号A’が同時に論理値
0から論理値1に変化するまで続き、その結果としてキャパシタCBoot(93)
が放電され、トランジスタMH(88)がカットオフされる。これが、新しいサ
イクルの初期状態を特徴づける。使用しているレベルシフターLS1(77A)
とLS2(77B)の出力レベルは、これらインターフェースへの供給電圧HV
(72)よりも大きな値の出力電圧が可能なNMOSトランジスタを用いること
で達成されることに注意されたい。Phase 3 of the operation of this circuit involves, as shown in FIG. 30b, the voltage V G (73)
Are substantially equal to the final value of HV + V AUX , the signal A and the signal A ′ remain at the logical value 0. This phase continues until signal A and signal A 'simultaneously change from logic 0 to logic 1 and consequently capacitor C Boot (93)
Is discharged, and the transistor MH (88) is cut off. This characterizes the initial state of the new cycle. The level shifter LS1 (77A) used
And the output level of LS2 (77B) depend on the supply voltage HV to these interfaces.
Note that this can be achieved by using an NMOS transistor capable of a larger output voltage than (72).
【0092】 図29の回路におけるように、トランジスタML(89)を図30aの回路に
追加することができる。その場合このトランジスタML(89)は、ローサイド
構成でトランジスタMH(88)のソース(90)とグラウンドGND(74)
の間に接続し、制御回路で直接制御する。As in the circuit of FIG. 29, a transistor ML (89) can be added to the circuit of FIG. 30a. In this case, the transistor ML (89) has a low-side configuration and the source (90) of the transistor MH (88) and the ground GND (74).
And control directly by the control circuit.
【0093】 [2.D フローティング電流源] 外部負荷に対して電力を供給するパワートランジスタの等価な入力キャパシタ
CGSの充電と放電を制御するのに、電流源がしばしば用いられる。トランジスタ
を導通させたりカットオフ状態にしたりするにはキャパシタCGSに電荷を注入し
たりそのキャパシタから電荷を放出させたりして制御するわけだが、その制御を
行なう手段として電流源を利用した回路を使うと、供給される電荷のタイプに合
わせて最適化したアルゴリズムを用いて制御とスイッチングを行なうことができ
る。集積化したスマートパワーデバイスを製造する技術によって高圧NMOSト
ランジスタや高圧PMOSトランジスタが製造されるわけだが、その技術によっ
て製造される高圧PMOSトランジスタが存在しているために、ハイサイドトラ
ンジスタに電流を供給する電流源の製造が容易になる。[2. D Floating Current Source] A current source is often used to control the charging and discharging of an equivalent input capacitor CGS of a power transistor that supplies power to an external load. It not control it or to release the charge from the capacitor or injecting charge into the capacitor C GS to or to cut off or to conduct the transistors, but the circuit using a current source as a means for its control When used, control and switching can be performed using algorithms optimized for the type of charge supplied. High-voltage NMOS transistors and high-voltage PMOS transistors are manufactured by the technology for manufacturing integrated smart power devices, but because high-voltage PMOS transistors are manufactured using this technology, current is supplied to the high-side transistor. The manufacture of the current source is facilitated.
【0094】 図31は、ハイサイドトポロジーのパワーデバイス(High-Side topology pow
er device:88)に電流を注入してこのデバイスを導通状態にするのにフロー
ティング電流源(106)を利用した典型的な回路の一例を示している。別の電
流源が、グラウンドに接続されている。この電流源は、出力レベルがトランジス
タM4(108)によって決まっており、トランジスタMH(88)のゲートか
ら放電させてこのトランジスタMH(88)をカットオフ状態にするのに使われ
る。FIG. 31 shows a high-side topology power device.
er device (88) using a floating current source (106) to inject current into the device and render the device conductive. Another current source is connected to ground. The output level of this current source is determined by the transistor M4 (108), and is used to discharge the gate of the transistor MH (88) to cut off the transistor MH (88).
【0095】 MOS技術で製造される電流源は、基本的に、トランジスタに印加される電圧
VGSを制御することを目的としている。このトランジスタが飽和領域で動作して
いるときには、そのトランジスタのドレイン電流は、ほとんど完全にVGSに依存
することになる。一般に、参照電流源は、GND端子(100)に接続された低
圧トランジスタを用いて構成されたアナログ回路で作られる。(109)に発生
する電流は、高圧で作動するN型(108と110)およびP型(111と11
2)のMOSトランジスタとNPNバイポーラトランジスタ(113)を用いて
構成された回路によって正確にコピーされる。図31に示した回路では、2.C
で説明したように、ブートストラップ回路のキャパシタCBootが、電流源(10
6)に電力を供給するフローティング電圧源FPSとして使われている。別のオ
プションは、すでに2.C.1に示したキャパシタ型電荷ポンプを用いることで
あろう。A current source manufactured in MOS technology basically aims at controlling a voltage V GS applied to a transistor. When the transistor is operating in the saturation region, the drain current of the transistor will depend almost entirely on V GS . Generally, the reference current source is formed by an analog circuit configured using a low-voltage transistor connected to the GND terminal (100). The current generated in (109) is N-type (108 and 110) and P-type (111 and 11) operating at high pressure.
It is copied exactly by a circuit configured using the MOS transistor and the NPN bipolar transistor (113) of 2). In the circuit shown in FIG. C
As described above, the capacitor C Boot of the bootstrap circuit is connected to the current source (10
6) is used as a floating voltage source FPS for supplying power. Another option is already 2. C. One would use the capacitor type charge pump shown in FIG.
【0096】 本出願は、NMOS構造だけを使って構成したハイサイドのトランジスタとロ
ーサイドのトランジスタの両方において、電流を注入したり放出したりする機能
を持った電流源のトポロジーを主張している。可能な様々なトポロジーの中で、
図32は、ハイサイド構成でNMOSトランジスタMH(88)のゲートに電流
を注入することによって電流源回路として動作させるためのトポロジーを示して
いる。The present application claims a topology of a current source having a function of injecting and discharging a current in both a high-side transistor and a low-side transistor configured using only the NMOS structure. Among the various topologies possible,
FIG. 32 shows a topology for operating as a current source circuit by injecting a current into the gate of the NMOS transistor MH (88) in a high-side configuration.
【0097】 2.Aですでに説明したように、NMOS構造を用いてフローティングツェナ
ーダイオードの動作をエミュレートする回路を製造することが可能である。この
回路のツェナー電圧の値は、低圧で機能する制御回路を用いてダイナミックにプ
ログラムすることができる。また、2.Bですでに説明したように、NMOS構
造だけを用いてフローティング電流源を製造することもできる。[0097] 2. As already described in A, it is possible to fabricate a circuit that emulates the operation of a floating Zener diode using an NMOS structure. The value of the zener voltage of this circuit can be dynamically programmed using a low voltage control circuit. Also, 2. As already described in B, the floating current source can be manufactured using only the NMOS structure.
【0098】 図32では、一群の素子が、NMOS構造に基づいてフローティング電流源(
121)を形成している。この電流源(121)の出力はMH(88)のゲート
(102)に接続されており、電流を注入してトランジスタMH(88)を導通
状態にするのに用いられる。グラウンド(100)に接続された回路(122)
が電流源を構成している。この電流源の目的は、電流をトランジスタMH(88
)のゲート(102)から放出してこのトランジスタをカットオフ状態にするこ
とである。In FIG. 32, a group of elements is a floating current source (
121). The output of this current source (121) is connected to the gate (102) of the MH (88) and is used to inject current and make the transistor MH (88) conductive. Circuit (122) connected to ground (100)
Constitute a current source. The purpose of this current source is to pass the current through the transistor MH (88
) To make this transistor cut off.
【0099】 フローティング電流源(121)は、基本的に、DZP(115)で表わされ
るツェナー回路と、MI(117)で表わされる高圧トランジスタと、抵抗器R
I(116)とからなる。これら素子は、FPSで表わされるフローティング電
圧源(118)から電力を供給される。この電力源のマイナス端子は、高圧源H
V(101)に接続されている。電力源FPS(118)は、振幅が10ボルト
ほどである。素子DZP(115)は、制御回路がGND端子(100)に接続
されたプログラム可能なツェナー回路を表わしている。このツェナー回路の機能
は、電圧VGS(MI)を所定のプログラム値に維持し、用途に応じて決められる
アルゴリズムに従って、トランジスタMH(88)のゲート(102)に注入さ
れる電流を制御することである。ツェナー回路(115)に対して作用する制御
回路が高圧トランジスタMI(117)に流入する電流値を決めていることを強
調しておくのは重要なことである。特に、ツェナー回路DZP(115)に電圧
を発生させて、高圧トランジスタMI(117)に電流が流入しないようにする
ことが可能である。抵抗器RI(116)は、典型的には大きな値の抵抗であり
、その機能は、ツェナー回路DZP(115)の極性を変化させてフローティン
グ電流源(121)を電圧の和HV+V(FPS)に基づいた電位にすることで
ある。The floating current source (121) basically includes a Zener circuit represented by DZP (115), a high-voltage transistor represented by MI (117), and a resistor R
I (116). These elements are powered by a floating voltage source (118) represented by FPS. The negative terminal of this power source is
V (101). The power source FPS (118) has an amplitude on the order of 10 volts. Element DZP (115) represents a programmable zener circuit with a control circuit connected to GND terminal (100). The function of this Zener circuit is to maintain the voltage V GS (MI) at a predetermined program value and control the current injected into the gate (102) of the transistor MH (88) according to an algorithm determined according to the application. It is. It is important to emphasize that the control circuit acting on the Zener circuit (115) determines the value of the current flowing into the high voltage transistor MI (117). In particular, it is possible to generate a voltage in the Zener circuit DZP (115) so that no current flows into the high voltage transistor MI (117). The resistor RI (116) is typically a large value resistor whose function is to change the polarity of the Zener circuit DZP (115) to change the floating current source (121) to the sum of the voltages HV + V (FPS). That is, the potential is set based on the potential.
【0100】 トランジスタMH(88)のゲート(102)に電流を注入している間、トラ
ンジスタMI(117)は、電流源として動作する。またその間はブロック(1
22)のスイッチCH1(119)が開いており、トランジスタM5(120)
はトランジスタMH(88)のゲートに対して何らの影響力を持たない。トラン
ジスタMH(88)のゲート(102)から放電されている間、ツェナー回路D
ZP(115)の電圧値が変化して、トランジスタMH(88)を流れる電流は
、少なくなるか、またはゼロになる。グラウンドに接続された電流源(122)
は、トランジスタMH(88)がカットオフ状態のときに作動する。スイッチC
H1(119)はオフになり、トランジスタM5(120)がトランジスタMH
(88)のゲート(102)から放電を始めさせる。そのため、望み通りにこの
MH(88)がカットオフ状態になる。While current is injected into the gate (102) of the transistor MH (88), the transistor MI (117) operates as a current source. In the meantime, block (1
22) The switch CH1 (119) is open and the transistor M5 (120)
Has no influence on the gate of the transistor MH (88). While discharging from the gate (102) of the transistor MH (88), the Zener circuit D
As the voltage value of ZP (115) changes, the current flowing through transistor MH (88) decreases or goes to zero. Current source connected to ground (122)
Operates when the transistor MH (88) is in a cut-off state. Switch C
H1 (119) is turned off, and transistor M5 (120) is turned off by transistor MH.
Discharge is started from the gate (102) of (88). Therefore, the MH (88) is cut off as desired.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】 パワーデバイスのトポロジーを実現するための一般的なスイッチングセルを示
す図である。FIG. 1 is a diagram showing a general switching cell for realizing a power device topology.
【図2】 パワーデバイスのトポロジーを実現するための一般的なスイッチングセルを示
す図である。FIG. 2 is a diagram showing a general switching cell for realizing a power device topology.
【図3】 パワーデバイスのトポロジーを実現するための一般的なスイッチングセルを示
す図である。FIG. 3 is a diagram showing a general switching cell for realizing a power device topology.
【図4】 パワーデバイスのトポロジーを実現するための一般的なスイッチングセルを示
す図である。FIG. 4 is a diagram showing a general switching cell for realizing a power device topology.
【図5】 スイッチング構造の一般的なマトリックス配置を示し、特に、NMOS構造お
よびアレイの空間的レイアウト、制御信号相互接続チャネルと電力相互接続チャ
ネルの位置、並びに、パッドの位置を示す図である。FIG. 5 shows the general matrix arrangement of the switching structure, in particular the spatial layout of the NMOS structure and the array, the location of the control signal and power interconnect channels, and the location of the pads.
【図6】 マトリックスの詳細を示し、特に、アレイの接続用パッドに注目して、パッド
の近くにあるNMOS構造を覆う金属2のトラックを示す図である。FIG. 6 shows the details of the matrix, and in particular the metal 2 tracks covering the NMOS structures near the pads, focusing on the connection pads of the array.
【図7a】 制御信号相互接続チャネルを示し、ビア(金属1/金属2の接続)と金属トラ
ックとポリシリコン抵抗器のネットワークを示す図である。FIG. 7a shows a control signal interconnect channel and shows a network of vias (metal1 / metal2 connections), metal tracks and polysilicon resistors.
【図7b】 図7aにおけるA−A’に沿って切断した断面図である。7B is a cross-sectional view taken along the line A-A 'in FIG. 7A.
【図8】 LDSDトランジスタが並置された、基本的なNMOS構造の一例を示す図で
ある。FIG. 8 is a diagram showing an example of a basic NMOS structure in which LDSD transistors are juxtaposed.
【図9】 GSLDD/GSLDSDのNMOSトランジスタに基づく本発明で提案して
いる最適化された基本セルの一例を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of an optimized basic cell proposed in the present invention based on a GSLDD / GSLDSD NMOS transistor.
【図10a】 整流ダイオード、および、その電流特性曲線I(V)を示す図である。FIG. 10a is a diagram showing a rectifier diode and its current characteristic curve I (V).
【図10b】 ツェナーダイオード、および、その電流特性曲線I(V)を示す図である。FIG. 10b is a diagram showing a Zener diode and its current characteristic curve I (V).
【図10c】 ツェナーダイオードと直列に接続された整流ダイオード、および、その電流特
性曲線I(V)を示す図である。FIG. 10c is a diagram showing a rectifier diode connected in series with a zener diode, and a current characteristic curve I (V) thereof.
【図11】 ツェナーダイオードと整流ダイオードをエミュレートする制御回路であって、
複数の回路が集積化された制御回路の一例を示す図である。FIG. 11 is a control circuit for emulating a Zener diode and a rectifier diode,
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a control circuit in which a plurality of circuits are integrated.
【図12】 図10bのフローティングツェナー回路の動作をエミュレートするNMOS構
造であって、LDSDのNMOSトランジスタに基づいて再構成したNMOS構
造の一例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an example of an NMOS structure emulating the operation of the floating zener circuit of FIG. 10B, which is reconfigured based on an NMOS transistor of LDSD.
【図13】 図10bのフローティングツェナー回路の動作をエミュレートするNMOS構
造であって、LDMOSトランジスタに基づいて再構成したNMOS構造の一例
を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of an NMOS structure emulating the operation of the floating zener circuit of FIG. 10b, which is reconfigured based on an LDMOS transistor.
【図14】 図10cの直列接続された整流ダイオードとツェナーダイオードの動作をエミ
ュレートするNMOS構造であって、LDSDのNMOSトランジスタに基づい
て再構成したNMOS構造の一例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an NMOS structure emulating the operation of the series-connected rectifier diode and zener diode of FIG. 10c, which is reconfigured based on an NMOS transistor of LDSD.
【図15】 図10cの直列接続された整流ダイオードとツェナーダイオードの動作をエミ
ュレートするNMOS構造であって、LDMOSトランジスタに基づいて再構成
したNMOS構造の一例を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing an example of an NMOS structure emulating the operation of the series-connected rectifier diode and zener diode of FIG. 10c, which is reconfigured based on an LDMOS transistor.
【図16】 図10aの整流ダイオードの動作をエミュレートするNMOS構造であって、
LDSDのNMOSトランジスタに基づいて再構成したNMOS構造の一例を示
す図である。FIG. 16 is an NMOS structure emulating the operation of the rectifier diode of FIG. 10a,
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an NMOS structure reconfigured based on an LDSD NMOS transistor.
【図17】 図10aの整流ダイオードの動作をエミュレートするNMOS構造であって、
LDMOSトランジスタに基づいて再構成したNMOS構造の一例を示す図であ
る。FIG. 17 is an NMOS structure emulating the operation of the rectifier diode of FIG. 10a,
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an NMOS structure reconfigured based on an LDMOS transistor.
【図18】 PMOS(または、PNPバイポーラタイプ)でハイサイドの高圧トランジス
タが使われている回路であって、文献に開示されている古典的なレベルシフター
回路の一例を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing an example of a classic level shifter circuit disclosed in the literature, which is a circuit using a high-side high-voltage transistor in a PMOS (or PNP bipolar type).
【図19】 高圧PMOS(または、PNPバイポーラトランジスタ)をハイサイド位置で
使わないトポロジーとなっている回路であって、LDSDのNMOSトランジス
タだけを使ったレベルシフター回路の一例を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing an example of a level shifter circuit which is a circuit having a topology in which a high-voltage PMOS (or PNP bipolar transistor) is not used at a high side position and uses only NMOS transistors of LDSD.
【図20】 図19と比較する場合には、ダイオードDRが付け加えられていることに注意
されたいが、LDMOSトランジスタだけを使ったレベルシフター回路の一例を
示す図である。FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a level shifter circuit using only LDMOS transistors, although a diode DR is added in comparison with FIG. 19;
【図21】 この構成では、HVから電圧を供給される補助的連続電圧源として動作するが
、連続的電圧レベルシフターとして機能するレベルシフター回路の一例を示す図
である。FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a level shifter circuit that operates as an auxiliary continuous voltage source supplied with a voltage from the HV and functions as a continuous voltage level shifter in this configuration.
【図22a】 電圧ダブラーとして機能する典型的なキャパシタ型電荷ポンプの一例を示す図
である。FIG. 22a illustrates an example of a typical capacitor-type charge pump that functions as a voltage doubler.
【図22b】 図22aにおけるキャパシタCTKにおける電圧変化を示す図である。FIG. 22B is a diagram showing a voltage change in the capacitor C TK in FIG. 22A.
【図23】 電圧トリプラーとして機能する典型的なキャパシタ型電荷ポンプの一例を示す
図である。FIG. 23 illustrates an example of a typical capacitor charge pump that functions as a voltage tripler.
【図24】 NMOS構造を用いて実現することが可能な電圧ダブラーとして機能する電荷
ポンプの一例を示す図である。FIG. 24 illustrates an example of a charge pump that functions as a voltage doubler that can be realized using an NMOS structure.
【図25】 NMOS構造を用いて実現することが可能な電圧トリプラーとして機能する典
型的なキャパシタ型電荷ポンプの一例を示す図である。FIG. 25 illustrates an example of a typical capacitor-type charge pump that functions as a voltage tripler that can be implemented using an NMOS structure.
【図26】 NMOS構造を用いて実現することが可能な電荷ポンプであって、図23のト
ポロジーに基づいてフローティング電圧源として機能し、出力には整流ブリッジ
が用いられているキャパシタ型電荷ポンプの一例を示す図である。26 is a diagram showing a charge pump that can be realized by using an NMOS structure, which functions as a floating voltage source based on the topology of FIG. 23 and has a rectifier bridge as an output; It is a figure showing an example.
【図27】 その回路から、新規性があると主張する電荷ポンプのトポロジーを得ることが
できるNMOS構造を用いて実現可能な基本回路の一例を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing an example of a basic circuit that can be realized by using an NMOS structure from which a charge pump topology that claims to be novel can be obtained.
【図28a】 典型的なブートストラップ回路の一例を示す図である。FIG. 28a shows an example of a typical bootstrap circuit.
【図28b】 パワートランジスタMHがターンオンおよびターンオフに遷移する間における
制御信号、出力およびゲート電圧の時間変化を示す図である。FIG. 28B is a diagram showing a time change of a control signal, an output, and a gate voltage during a transition of the power transistor MH to turn on and turn off.
【図29】 NMOS構造を用いて実現することのできるブートストラップ回路の一例を示
す図である。FIG. 29 is a diagram illustrating an example of a bootstrap circuit that can be realized using an NMOS structure.
【図30a】 ハイサイドトポロジーのNMOSに基づいたパワーデバイス用ブートストラッ
プ回路の一例を示す図である。FIG. 30a is a diagram showing an example of a bootstrap circuit for a power device based on a high-side topology NMOS.
【図30b】 パワートランジスタMHがターンオンおよびターンオフに遷移する間における
様々な波形を示す図である。FIG. 30b is a diagram showing various waveforms during a transition of the power transistor MH between turn-on and turn-off.
【図31】 ハイサイドトポロジーのパワーデバイスに電流を供給するための標準的なフロ
ーティング電流源の一例を示す図である。FIG. 31 is a diagram showing an example of a standard floating current source for supplying a current to a power device having a high-side topology.
【図32】 NMOS構造を利用して実現することのできるフローティング電流源の一例を
示す図である。FIG. 32 is a diagram illustrating an example of a floating current source that can be realized by using an NMOS structure.
【手続補正2】[Procedure amendment 2]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図9[Correction target item name] Fig. 9
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図9】 FIG. 9
【手続補正3】[Procedure amendment 3]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図11[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図11】 FIG. 11
【手続補正4】[Procedure amendment 4]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図12[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図12】 FIG.
【手続補正5】[Procedure amendment 5]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図13[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図13】 FIG. 13
【手続補正6】[Procedure amendment 6]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図14[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図14】 FIG. 14
【手続補正7】[Procedure amendment 7]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図15[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図15】 FIG.
【手続補正8】[Procedure amendment 8]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図19[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図19】 FIG.
【手続補正9】[Procedure amendment 9]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図20[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図20】 FIG.
【手続補正10】[Procedure amendment 10]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図21[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図21】 FIG. 21
【手続補正11】[Procedure amendment 11]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図22a[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図22a】 FIG. 22a
【手続補正12】[Procedure amendment 12]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図22b[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図22b】 FIG.
【手続補正13】[Procedure amendment 13]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図23[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図23】 FIG. 23
【手続補正14】[Procedure amendment 14]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図24[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図24】 FIG. 24
【手続補正15】[Procedure amendment 15]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図25[Correction target item name] FIG. 25
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図25】 FIG. 25
【手続補正16】[Procedure amendment 16]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図26[Correction target item name] FIG. 26
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図26】 FIG. 26
【手続補正17】[Procedure amendment 17]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図27[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図27】 FIG. 27
【手続補正18】[Procedure amendment 18]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図28a[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図28a】 FIG. 28a
【手続補正19】[Procedure amendment 19]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図28b[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図28b】 FIG. 28b
【手続補正20】[Procedure amendment 20]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図29[Correction target item name] FIG. 29
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図29】 FIG. 29
【手続補正21】[Procedure amendment 21]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図30a[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図30a】 FIG. 30a
【手続補正22】[Procedure amendment 22]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図30b[Correction target item name] FIG.
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【図30b】 FIG. 30b
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成13年1月17日(2001.1.17)[Submission date] January 17, 2001 (2001.1.17)
【手続補正1】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正の内容】[Contents of correction]
【特許請求の範囲】[Claims]
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H03K 19/0185 H03K 19/00 101B (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ, BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C R,CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES,FI ,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID, IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,K Z,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MA ,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ, PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,S K,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG ,US,UZ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 フィンコ,サウロ ブラジル国,サンパウロ,セエペー− 13089−500,カエミ 143,6,ロドビア エシペー65 (72)発明者 ペドロ,カシミロ アントーニオ ポルトガル国,ペー−1000 267 リスボ ア,アベニダ ロビスコ パイス (72)発明者 メンドンサ サントス,ペドロ ポルトガル国,ペー−1000 267 リスボ ア,アベニダ ロビスコ パイス (72)発明者 ベーレンス,フランク ヘルマン ブラジル国,サンパウロ,セエペー− 13089−500,カエミ 143,6,ロドビア エシペー65 (72)発明者 マンマナ,カルロス,イ.ゼ. ブラジル国,サンパウロ,セエペー− 13089−500,カエミ 143,6,ロドビア エシペー65 Fターム(参考) 5F038 BG03 BG05 BG06 EZ20 5F048 AA02 AA05 AB02 AB03 AB08 AC01 AC03 AC06 AC10 BA01 BB05 BC05 BC06 BC19 BC20 BF11 BF18 5J056 AA00 AA32 BB58 BB59 CC21 DD13 DD29 DD51 DD55 FF01 FF08 KK02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H03K 19/0185 H03K 19/00 101B (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK) , ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR) , NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CR, CU, CZ, DE , DK, DM, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ , TM, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW. 65 (72) Inventor Pedro, Casimiro Antonio, Portugal, p. 1000 267 Lisboa, Avenida Robisco Pais (72) Inventor Mendonsa Santos, Pedro Portugal, p. 1000 267 Lisboa, Avenida Robisco Pa Chair (72) Inventors Behrens, Frank Hermann Brazil, São Paulo, C セ epé 13089-500, Kaemi 143, 6, Rhodobia Escipé 65 (72) Inventors Manmana, Carlos, I. Ze. São Paulo, São Paulo, Brazil 13089-500, Kaemi 143, 6, Rhodevia Escipe 65 F term (reference) 5F038 BG03 BG05 BG06 EZ20 5F048 AA02 AA05 AB02 AB03 AB08 AC01 AC03 AC06 AC10 BA01 BB05 BC05 BC06 BC19 BC20 ABF11 A00 BB58 BB59 CC21 DD13 DD29 DD51 DD55 FF01 FF08 KK02
Claims (6)
ルと、該パワーセルの駆動回路および保護回路と、出力変数の制御、増幅、サン
プリングを行なうのに必要とされるその他の回路と、を提供するプログラム可能
な多目的のスマートパワーICであって、 a)“インテリジェンス”を含むかまたは含まないパワー集積回路(PIC)
を得ることを目的として、NMOSのFETの組み合わせに基づいたアレイを備
え、該NMOS構造は、単純なパターンの特殊なレイアウトを利用し、スマート
パワーICに要求される様々な機能を実行することが可能であり、 b)同じモノリシック回路内にある受動素子または外部の受動素子と組み合わ
せる以外は、前記NMOS構造だけを用いてPICの制御および電力信号処理を
可能にする新規な回路トポロジーを提供し、 c)LDDまたはLDSD−NMOS、或いはその両方、または、LDMOS
またはNチャネルDMOSなどのFETを組み合わせた前記NMOS構造に基づ
く基本セルを用いる、ことを特徴とするスマートパワーIC。1. A power cell for switching, a driving circuit and a protection circuit for the power cell, and other elements required for controlling, amplifying, and sampling an output variable to meet various application requirements. Circuit, comprising: a) a power integrated circuit (PIC) with or without "intelligence";
For the purpose of obtaining an array based on a combination of NMOS FETs, the NMOS structure utilizes a special layout of simple patterns and can perform various functions required for smart power ICs. B) providing a novel circuit topology that allows control of the PIC and power signal processing using only said NMOS structure, except in combination with passive elements in the same monolithic circuit or external passive elements, c) LDD or LDSD-NMOS or both, or LDMOS
Alternatively, a smart power IC using a basic cell based on the above-mentioned NMOS structure in which an FET such as an N-channel DMOS is combined.
定する表面の金属製マスクのレイアウトと、 b)様々な応用に応えるために、セルライブラリに追加する特定の機能を規定
するのに前記NMOS構造を組み合わせて相互接続した、電力信号処理を目的と
する回路の新規なトポロジーと、 c)NMOSに基づく基本的な組み合わせを規定してシステムを構成するのを
助ける完全なマスクのレイアウトと、を利用してマスクをプログラムすることが
可能なスマートパワーアレイによって実現されることを特徴とする請求項1に記
載のスマートパワーIC。2. The layout of a metal mask on the surface that defines a semi-custom array in which the NMOS structures are interconnected, and b) the specific functions to be added to the cell library to meet various applications. A novel topology of circuits intended for power signal processing interconnected by combining said NMOS structures, and c) a complete mask to define the basic combination based on NMOS and to help configure the system. The smart power IC according to claim 1, wherein the smart power IC is realized by a smart power array capable of programming a mask using the layout.
能な請求項2に記載のスマートパワーアレイを適切に構成することにより得られ
、該回路は、 a)NMOS構造に基づくクリッパーおよびクランパーに必要とされる、整流
器およびプログラム可能な“ツェナー”と、 b)NMOS構造に基づくレベルシフターと、 c)NMOS構造に基づく電荷ポンプと、 d)NMOS構造に基づくブートストラップと、 e)NMOS構造に基づく電流源とを含み、さらに、設計のための適切な方法
とシミュレーションモデルを含むことを特徴とする請求項1に記載のスマートパ
ワーIC。3. The topology of the circuit is obtained by appropriately configuring a smart power array according to claim 2 capable of programming a mask, the circuit comprising: a) a clipper based on an NMOS structure and A rectifier and programmable "Zener" required for the clamper; b) a level shifter based on an NMOS structure; c) a charge pump based on an NMOS structure; d) a bootstrap based on an NMOS structure; The smart power IC of claim 1, comprising a current source based on the structure, and further comprising a suitable method and simulation model for the design.
は、LDMOSまたはDMOSなどのNMOSトランジスタの集合だけを利用し
た基本的組み合わせであって、該組み合わせは、 a)NMOS構造におけるすべての端子の柔軟な相互接続と、 b)基本セルを含む基板に接続されたP+保護リングと、 c)LDDタイプのトランジスタにおけるソースの前記保護リングへの接続と
、 d)フローティングLDSDタイプのトランジスタおよびフローティングLD
MOSタイプのトランジスタのソースと、 e) ドレイン電極、ゲート電極、ソース電極の局所的な相互接続を可能にし
、 基本セル間で列を通じた相互接続の実現を容易にし、 より複雑な回路を得るために、適切な相互接続を通じて基本セルを組み
合わせることを容易にする特別のレイアウトと、 を含むことを特徴とする請求項1に記載のスマートパワーIC。4. A basic combination using either LDD or LDSD type, or both, or only a set of NMOS transistors such as LDMOS or DMOS, the combination comprising: a) all terminals in the NMOS structure B) a P + guard ring connected to the substrate containing the base cell; c) a connection of the source in the transistor of the LDD type to said guard ring; d) a floating LDSD type transistor and floating LD
E) To enable the local interconnection of the drain electrode, gate electrode, and source electrode with the source of the MOS type transistor, to facilitate the interconnection through the columns between the basic cells, and to obtain a more complicated circuit. The smart power IC of claim 1, further comprising: a special layout that facilitates combining basic cells through appropriate interconnects.
変換および増幅を行なうために請求項1および2に記載された“インテリジェン
ス”を持つか或いは持たないアレイと、請求項2および3に記載された新規なト
ポロジーを利用したスマートパワーICの応用であって、前記アレイは、標準的
なCMOS技術によって、または、追加処理プロセスを必要とする別のCMOS
技術によって、または、より洗練されたパワー回路集積化技術によって、または
、特別のスマートパワー回路技術によって製造することができ、前記アレイは、
請求項3に記載の多彩な機能を実行するために、請求項4に記載の方法に従って
構成され、その方法に従って、集積化されたか或いは集積化されていない受動素
子と複数のNMOSトランジスタとを特定の構成に組み合わせることで、 様々なスイッチ用トポロジー、すなわち、ハイサイド、ローサイド、帯域通
過素子、プッシュプル、ハーフブリッジ、フルブリッジ、n相ブリッジ、および
、派生するその他のトポロジーを生み出す多数のパワースイッチングセルを実現
し、 様々なパワースイッチングのトポロジーを駆動するのに必要な様々なデバイス
および回路を実現し、 パワースイッチングセルに良好な性能を発揮させるのに必要なサンプリング
回路および保護回路を実現し、 静電的放電とラッチアップ動作に対するスマートパワーICの耐久性を増大
させ、 スマートパワー回路とマイクロシステムのプロトタイプを素早く作れるよう
にできることを特徴とするスマートパワーICの応用。5. An array with or without "intelligence" as claimed in claims 1 and 2 for performing power control, switching, driving, sampling, protection, power conversion and amplification, and claims 2 and 3. A smart power IC application utilizing the novel topology described in the above, wherein said array is provided by standard CMOS technology or by another CMOS technology requiring an additional processing process.
The array can be manufactured by technology, or by more sophisticated power circuit integration technology, or by special smart power circuit technology.
In order to perform various functions according to claim 3, the method is configured according to the method according to claim 4, and specifies an integrated or non-integrated passive element and a plurality of NMOS transistors according to the method. Numerous power switching that, when combined with the above configuration, creates a variety of switching topologies: high-side, low-side, bandpass devices, push-pull, half-bridge, full-bridge, n-phase bridge, and other derived topologies. Realizing the cells, realizing the various devices and circuits required to drive various power switching topologies, realizing the sampling and protection circuits required to make the power switching cells perform well, Smart power I for electrostatic discharge and latch-up operation An application of smart power ICs, characterized by increasing the durability of C and enabling rapid prototypes of smart power circuits and microsystems.
体電界効果トランジスタであって、該トランジスタは、ゲートがシフトしていて
ドレインがわずかにドーピングされているGSLDDか、或いは、ゲートがシフ
トしていてソースとドレインがわずかにドーピングされているGSLDSDかで
あり、絶縁破壊電圧を大きくするためにN型ウエルのマスクの端部に対してゲー
トのマスクがシフトすることで、請求項1、2、3、4および5に記載のマスク
がプログラム可能なスマートパワーアレイの応用範囲を広げており、前記トラン
ジスタは、 ごく標準的なCMOS(N型ウエル、P型基板、1層のポリシリコン、少な
くとも2層の金属膜)と相性がよく、 前記GSLDDにするために側面プラナー式の構成になっており、ドレイン
が、低濃度ドーピングされたN型ウエルに埋め込まれた不純物高濃度拡散領域に
よって形成されており、 前記GSLDDを実現するために、基板とソース電極が接続されており、 前記GSLDDのドレインが高圧を取り扱えるようにする特殊なマスクのレ
イアウトになっており、 前記GSLDSDにするために側面プラナー式の構成になっており、ドレイ
ンおよびソースが、低濃度ドーピングされたN型ウエルに埋め込まれた不純物高
濃度拡散領域によって形成されており、 前記ソースが、前記GSLDSDにするために基板とは隔離されており、 前記GSLDSDのドレインおよびソースの両方が高圧を取り扱えるように
する特殊なマスクのレイアウトになっており、 ゲートシフト技術を利用して、N型ウエルの側面拡散経路とゲート用マスク
を一直線上に並べることで、不純物が低濃度の領域に固有の表面電場の最大値を
小さくする利点があり、それにより当該デバイスの最大限界電圧が増大すること
を特徴とするトランジスタ。6. An N-channel metal oxide semiconductor field effect transistor of the LDD and LDSD type, wherein the transistor is a GSLDD with a shifted gate and a lightly doped drain or a shifted gate. Wherein the gate mask is shifted with respect to the edge of the N-type well mask in order to increase the breakdown voltage. 2, 3, 4 and 5 expand the range of application of the programmable smart power array, wherein the transistor comprises a very standard CMOS (N-well, P-type substrate, one layer of polysilicon, Good compatibility with at least two layers of metal film). A drain is formed by a high-concentration impurity diffusion region embedded in a lightly doped N-type well; a substrate and a source electrode are connected to realize the GSLDD; and a drain of the GSLDD is formed. Has a special mask layout that can handle high voltage, has a side planar configuration for the GSLDSD, and has a drain and a source embedded in a lightly doped N-type well. The source is isolated from the substrate to form the GSLDSD, and the layout of the special mask allows both the drain and the source of the GSLDSD to handle high voltages. Using gate shift technology, the lateral expansion of N-type wells Aligning the path and gate mask in a straight line has the advantage of reducing the maximum value of the surface electric field inherent in low-concentration regions, thereby increasing the maximum threshold voltage of the device. Transistor.
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